JP2002110167A - Lithium oxide material and method for manufacturing the same - Google Patents

Lithium oxide material and method for manufacturing the same

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode material at low cost which discloses layers of the cathode material made from lithium and transition metal oxide, replaces a large amount of manganese and provides a competitive electrical chemical characteristic and a good thermal safe characteristic. SOLUTION: A single phase cathode material used in an electrical chemical battery is expressed by formula Li[LixCoyA1-x-y]O2. (In the formula, A expresses [MnzNi1-z], x expresses a value having a range of approximately 0.00-0.16, y expresses a value having a range of approximately 0.1-0.30, z expresses a value having a range of approximately 0.40-0.65, Lix is included in a transition metal layer of the structure; and/or the material includes a stratified R-3m crystal structure having a c/a ratio of approximately 1.012 or more.).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、カソード材料とし
て使用するための、充分に発達した層状結晶構造を有す
るリチオ化酸化物およびこのような酸化物を製造する方
法に関する。
The present invention relates to lithiated oxides having a well-developed layered crystal structure for use as cathode materials and to a process for producing such oxides.

【0002】[0002]

【従来の技術】再充電可能なリチウムバッテリーは高エ
ネルギーおよび高出力密度、並びに長サイクル寿命のた
めに商業的メリットがある。リチウムイオンバッテリー
(即ち、アノードとして金属リチウムを使用しないバッ
テリー)はリチウムバッテリーに取って代わった。この
理由は、アノードとしてリチウム金属を使用する場合、
長いサイクルは問題があるからである。主な再充電可能
なリチウムイオンバッテリーは、リチウム金属を含まな
い、例えば炭素またはスズ含有材料等のアノード材料を
使用する。これにより、カソードは第1回の充電中にお
よび数百回以上の充電・放電サイクルの間に引き出すこ
とができるリチウムを含む必要が生じる。リチウムイオ
ンバッテリーが導入される前に、硫化物を含み、良くサ
イクルされる全ての材料をカソード用の候補に挙げた。
リチウムイオンバッテリーの導入以来、材料の選択は実
際上劇的に減少した。
BACKGROUND OF THE INVENTION Rechargeable lithium batteries have commercial advantages due to high energy and power density, and long cycle life. Lithium ion batteries (ie, batteries that do not use metallic lithium as the anode) have replaced lithium batteries. The reason for this is that when using lithium metal as the anode,
Long cycles are problematic. Most rechargeable lithium ion batteries use an anode material that is free of lithium metal, such as a carbon or tin containing material. This requires that the cathode contain lithium that can be extracted during the first charge and during hundreds or more charge and discharge cycles. Prior to the introduction of lithium-ion batteries, all well cycled materials, including sulfides, were nominated for the cathode.
Since the introduction of lithium-ion batteries, material choices have practically dropped dramatically.

【0003】再充電可能なリチウムイオンバッテリー用
のカソードとして最も興味のあるのは、スピネルLi
1+xMn2−x(およびその変形)等のリチウム
遷移金属酸化物およびLiCoOである。スピネルL
1+xMn2−xは低コストであり、有害物質を
含まない。しかし、その用途は限られている。その理由
は、よくサイクルする材料の容量はほんの約115mA
h/gであるからである。さらに、高温におけるサイク
ル(例えば55℃でのサイクル)中の容量の保持は充分
ではない。LiCoOはよくサイクルし、約140m
Ah/gの容量を有するが、Coは毒性があり、高価で
ある。Li1+xMn2−xおよびLiCoO
代わる見込みのあるものとしてはLiNiO基材料で
ある。ニッケルは毒性が低く、Coより毒性が低く、低
コクトである。さらに、電池内でLiNiOはLiC
oOより可逆容量が大きい。
The most interesting cathodes for rechargeable lithium ion batteries are the spinel Li
A lithium transition metal oxide such as 1 + x Mn 2-x O 4 (and its variants) and LiCoO 2 . Spinel L
i 1 + x Mn 2-x O 4 is inexpensive, do not contain harmful substances. However, its use is limited. The reason is that the capacity of materials that cycle well is only about 115 mA
This is because h / g. Further, retention of capacity during high temperature cycling (eg, 55 ° C. cycling) is not sufficient. LiCoO 2 cycles well, about 140m
Although having a capacity of Ah / g, Co is toxic and expensive. Li 1 + x Mn as 2-x O 4 and some of the prospective alternative to LiCoO 2 is a 2 group material LiNiO. Nickel is less toxic, less toxic than Co, and has lower cocto. Further, LiNiO 2 is converted to LiC
It has a larger reversible capacity than oO 2 .

【0004】LiNiOおよびLiCoOはα−N
aFeO型構造(空間群R−3m)を有する層状材料
である。層状材料はカソード用として興味ある材料であ
る。この理由は、層状構造によりリチウムが素早く拡散
されるからである。この構造では、酸素により8面体的
に取り囲まれる遷移金属の層(MOのシートとなる)
がリチウム層中のリチウム陽イオンにより分離される。
その一般式はLiMO と表すことができる。本明細書
中、前記一般式はLi[M]Oまたは{LiM}
[M]Oとしばしば記載されるであろう。式中、
[M]は遷移金属層中に残っている全ての陽イオンを表
し、{M}はリチウム層中の非リチウム陽イオンを表
す。多くの従来技術のLiNiO基材料では、リチウ
ム層は部分的に遷移金属イオンで満たされている。例え
ば、ニッケルリッチのLiNiOであり、これは{L
0.9Ni0.1}[Ni]Oと記載できる。カソ
ードの用途として特に見込みのあるのは、充分に層状化
した材料である。すなわち、リチウムサイトに位置する
遷移金属Mが殆どあるいは全くない材料である。このよ
うな充分秩序立った構造はリチウムインターカレーショ
ンおよび脱インターカレーションが素早い。
[0004] LiNiO2And LiCoO2Is α-N
aFeO2Layered material having a mold structure (space group R-3m)
It is. Layered materials are interesting materials for cathodes.
You. The reason is that the layered structure allows lithium to diffuse quickly
Because it is done. In this structure, octahedral by oxygen
Layer of transition metal (MO2Sheet)
Are separated by lithium cations in the lithium layer.
Its general formula is LiMO 2It can be expressed as. This specification
Wherein the general formula is Li [M] O2Or {LiM}
[M] O2Will often be described. Where:
[M] represents all cations remaining in the transition metal layer.
And {M} represents the non-lithium cation in the lithium layer
You. Many prior art LiNiO2In the base material,
The memory layer is partially filled with transition metal ions. example
For example, nickel-rich LiNiO2Which is {L
i0.9Ni0.1} [Ni] O2Can be described. Caso
One of the most promising applications of the card is to fully layer it.
Material. That is, located at the lithium site
It is a material with little or no transition metal M. This
Well-ordered structure is lithium intercalation
Quick and deintercalation.

【0005】長いサイクルの間、許容できる容量を保持
するLiNiOを調整するのは困難である。LiNi
材料も一般に最初のサイクルにおいて不可逆な容量
損失を来す。すなわち、最初の充電中に出るリチウムよ
りも、最初の放電中に再び入ることができるリチウムの
方が少ない。不可逆容量が大きいことは実際的な用途に
は望ましくない。容量保持が良好であることおよび不可
逆容量が小さいことは充分に層状化した結晶構造に関連
する。理想的に層状が発達した結晶構造はc:a比が大
きく、リチウムサイトに位置しない遷移金属の量が少な
い。しかし、実際は、Li層サイトにNiをほんの少量
有するサンプルを調整することは困難である。リチウム
サイトのNi量は、X線回折データのリートベルト法の
改良から見積もることができる。あるいは、Solid
State Ionics 44(1990)87中
でDahnらは、リチウムサイトのNi濃度に敏感に関
連するRファクターを規定している。Rは、R−3m構
造を有する層状材料の回折パターンの101、006お
よび102ピークの積分強度の比として規定される。多
くの開示された従来技術は、リチウムサイトに位置しな
いNi量が少ないLiNiO材料の調整方法を示して
いる。すなわち、それらの技術は、R値が小さいLiN
iO材料の調整を試みているが、これらの方法は問題
を完全に解決した訳ではないか、あるいは経済的でな
い。
It is difficult to tune LiNiO 2 to maintain an acceptable capacity for long cycles. LiNi
O 2 materials also lead to irreversible capacity loss in the first cycle generally. That is, less lithium can re-enter during the first discharge than lithium during the first charge. Large irreversible capacity is undesirable for practical applications. Good capacity retention and low irreversible capacity are associated with a well-layered crystal structure. An ideally layered crystal structure has a large c: a ratio and a small amount of transition metal not located at a lithium site. However, in practice, it is difficult to prepare a sample having only a small amount of Ni at the Li layer site. The amount of Ni at the lithium site can be estimated from the improvement of the Rietveld method of the X-ray diffraction data. Or, Solid
Dahn et al. In State Ionics 44 (1990) 87 define an R factor that is sensitively related to Ni concentration at lithium sites. R is defined as the ratio of the integrated intensity of the 101, 006, and 102 peaks of the diffraction pattern of the layered material having the R-3m structure. Many of the disclosed prior art techniques show how to prepare LiNiO 2 materials with low Ni content that are not located at lithium sites. In other words, those techniques use LiN having a small R value.
Attempts have been made to prepare iO 2 materials, but these methods have not completely solved the problem or are not economical.

【0006】LiNiO材料の別の基本的な問題は、
この材料が過充電された場合に、すなわち、約60%よ
り非常に多くのニッケルが3+から4+の状態に酸化さ
れるような電圧に充電された場合に、非常に反応性が高
くなることである。大きい電池において過充電カソード
はゆっくり分解し、この電池が環境に放出できるより多
くの熱を発生する。このことは分解反応を加速し、最後
にはバッテリーが爆発、発火、あるいはベントにより熱
を逃がす。実際、大きなバッテリーではLiNiO
カソードとして使用できない。この理由は、これらにあ
っては熱を逃がそうとし、そのため危険だからである。
Another fundamental problem with LiNiO 2 materials is that
This material becomes very reactive when overcharged, that is, when charged to a voltage such that more than about 60% of the nickel is oxidized from the 3+ to the 4+ state. is there. In a large battery, the overcharged cathode slowly decomposes, generating more heat that the battery can release to the environment. This accelerates the decomposition reaction, which ultimately allows the battery to dissipate heat by exploding, igniting, or venting. In fact, large batteries cannot use LiNiO 2 as a cathode. The reason for this is that they try to escape the heat and are therefore dangerous.

【0007】Solid State Ionics
69(1994)265中でDahnらは、充電したL
iNiOは、Li1−xNiOが非常に反応性の高
いNiイオンを含んでいるので、危険であると記載して
いる。このカソードは反応して、Solid Stat
e Ionics 109(1998)295中でAr
aiらが開示するようなロック塩型のLiNi1−x
Oを形成する傾向にある。ロック塩構造ではNiはより
好ましい低い平均原子価状態にある。この反応は、電解
液と反応可能な酸素の放出を伴う。
[0007] Solid State Ionics
In 69 (1994) 265, Dahn et al.
iNiO 2 is described as dangerous because Li 1-x NiO 2 contains very reactive Ni ions. The cathode reacts to the Solid Stat
e Aronics in Ionics 109 (1998) 295
Rock salt type Li x Ni 1-x as disclosed by ai et al.
O tends to form. In the rock salt structure, Ni is in a more favorable low average valence state. This reaction involves the release of oxygen that can react with the electrolyte.

【0008】反応性が低いかあるいは全くない材料をド
ーピングしたLiNiOは、反応性のNi4+が希釈
された材料になり得る。他の陽イオンでNiイオンを置
換することにより、ある場合には電気化学的性能が改良
されることを示す。1998年5月12日に発行された
米国特許第5,750,288号(Rayovac)に
はNiの30%までをAl、Ga、SnおよびZnの群
から選択される非遷移金属元素で置換することにより、
LiNiOを改変することが記載されている。J.E
lectrochem.Soc.142(1995)4
033のOhzukuらによるAlを用いたドーピング
により、およびElectrochemical an
d Solid State Letter(199
8)117のGaoらによるMg1/2Ti1/2を用
いたドーピングにより、置換によってLiNiO型材
料の安全性がある程度改良されることを示している。
[0008] LiNiO 2 doped with a material having low or no reactivity can be a reactive Ni 4+ diluted material. It shows that replacing Ni ions with other cations improves electrochemical performance in some cases. U.S. Pat. No. 5,750,288 (Rayovac) issued May 12, 1998 replaces up to 30% of Ni with a non-transition metal element selected from the group of Al, Ga, Sn and Zn. By doing
Modification of LiNiO 2 is described. J. E
electrochem. Soc. 142 (1995) 4
033 by Ohzuku et al. With Al and Electrochemical an.
d Solid State Letter (199
8) The Gao et al. 117 doping with Mg 1/2 Ti 1/2 shows that substitution improves the safety of the LiNiO 2 type material to some extent.

【0009】コバルトの分画を用いてニッケルを置換す
ることにより(例えば、Li[Ni 1−xCo
、ここで、xは約0.2から0.3である。)、良
好な電気化学的特性を有する材料になり得る。このよう
な材料は例えばJ.PowerSources 43/
44(1993)595のDelmasらにより記載さ
れている。しかし、LiNiOに関連する安全性の問
題は、完全には解決していない。このことは、1999
年5月2〜6日のシアトルで行われたElectroc
hemical Societyの第195回ミーティ
ングのProceedings、Abstract43
のPaulsenおよびDahnに示されている。さら
に、コバルトによるニッケルの置換は、LiNiO
比べて材料のコストが高くなる。
Replacement of nickel using cobalt fractionation
(For example, Li [Ni 1-xCox]
O2Where x is about 0.2 to 0.3. ), Good
It can be a material with good electrochemical properties. like this
Materials are, for example, J.I. PowerSources 43 /
44 (1993) 595, described by Delmas et al.
Have been. However, LiNiO2Safety issues related to
The subject is not completely solved. This is
Electroc in Seattle, May 2-6
Chemical Society's 195th Meeting
Proceedings, Abstract43
Paulsen and Dahn. Further
In addition, the replacement of nickel with cobalt is LiNiO2To
The cost of the material is higher.

【0010】LiNiO基化合物のドーパントとして
マンガンを使用することにより、有利になることが予想
される。マンガンは安価で危険がないので、LiNiO
基カソードに多量のMnを使用することが、安全への
配慮のみならず価格に対しても望まれることであろう。
It is expected that the use of manganese as a dopant for the LiNiO 2 -based compound will be advantageous. Since manganese is inexpensive and danger-free, LiNiO
The use of large amounts of Mn for the two cathodes would be desirable not only for safety considerations, but also for price.

【0011】LiNiOのNiをマンガンで置換する
ことは、Solid StateIonics 57
(1992)311中でDahnらにより記載されてい
る。この報告によると、LiNiOはマンガンで置換
され、Li[Ni1−xMn ]Oになり、xの最大
置換限度は、約0.5である。ここで、x>0.5のと
き、この材料は単相ではなく、ロック塩構造中に、Li
MnOおよびLi Ni1−yOを含む相混合物で
ある。しかし、多量のマンガンを有するLiNiO
は、特にLi[Ni1/2Mn1/2]Oは充分に
サイクルできなかったと記載されている。
LiNiO2Of Ni by manganese
That is, Solid State Ionics 57
(1992) 311 described by Dahn et al.
You. According to this report, LiNiO2Is replaced with manganese
And Li [Ni1-xMn x] O2And the maximum of x
The replacement limit is about 0.5. Where x> 0.5
This material is not a single phase, but in the rock salt structure, Li
2MnO3And Li yNi1-yIn a phase mixture containing O
is there. However, LiNiO with a large amount of manganese
2Is especially Li [Ni1/2Mn1/2] O2Is enough
It states that the cycle could not be performed.

【0012】1993年11月23日に発行された米国特
許第5,264,201(Dahnら)にはLiNi
1−yを製造する方法が記載されており、ここ
で、MはCo、Fe、Cr、Ti、MnまたはVである
ことができ、yは約0.2より小さい(ただし、MがC
oのとき、yは約0.5より小さいという例外があ
る。)。この方法では、水酸化リチウムまたは炭酸リチ
ウムを実質的に含まない材料、および非置換LiNiO
を超えてサイクル容量を改良した材料を提供すること
を意図する。しかし、この開示によると、改良されたサ
イクル容量はNiの20%までがCo、Fe、Cr、T
i、MnまたはVにより置換(あるいはCoに対しては
50%まで置換)されたときにのみ維持されると記載さ
れており、置換量がより多い化合物の調整については開
示がない。
US Pat. No. 5,264,201, issued Nov. 23, 1993 (Dahn et al.), Discloses LiNi
Describes a process for producing a 1-y M y O 2, where, M can be a Co, Fe, Cr, Ti, Mn or V, y is about 0.2 less than (where M is C
With o, there is an exception that y is less than about 0.5. ). In this method, a material substantially free of lithium hydroxide or lithium carbonate, and unsubstituted LiNiO
It is intended to provide materials with improved cycle capacity over two . However, according to this disclosure, the improved cycle capacity is that up to 20% of the Ni is Co, Fe, Cr, T
It is described as being maintained only when substituted by i, Mn or V (or substituted by up to 50% for Co), and there is no disclosure of preparation of a compound having a higher substitution amount.

【0013】1994年12月6日に発行された米国特
許第5,370,948(マツシタ)には、LiNi
1−xMn(式中、xが0.05〜0.45であ
る。)を製造する方法が記載されている。Mnが50%
までNiを置換している組成物が開示されているが、こ
の組成物の結晶構造は充分には層状化されていない。こ
のことは、この開示中にあるX線回折データにより証明
されている。このデータは110ピークとして記載され
ている、63〜66度2シータの領域に単一の回折ピー
クを示す。1より大きいc/a比を有する層状化斜方六
面体化合物はこの領域に2つのピークを示す(六方晶系
108および110ピーク)。さらに、この化合物は、
Mn置換の量が増えると層状化が低下することが、より
多量のMn置換(例えば40%Mn)を表すX線回折デ
ータから明らかである。40%のMn置換に対するデー
タで、第2の相(恐らくLiMnO)の形成を示す
証拠もある。
US Pat. No. 5,370,948 (Matsushita) issued on Dec. 6, 1994 includes LiNi
(Wherein, x is from an 0.05~0.45.) 1-x Mn x O 2 process for producing are described. Mn is 50%
Although compositions have been disclosed in which Ni has been substituted, the crystal structure of this composition is not sufficiently layered. This is evidenced by the X-ray diffraction data in this disclosure. This data shows a single diffraction peak in the 63-66 degree 2-theta region, described as the 110 peak. Layered rhombohedral compounds with c / a ratios greater than 1 show two peaks in this region (hexagonal 108 and 110 peaks). In addition, this compound
It is evident from the X-ray diffraction data that the higher the amount of Mn substitution, the lower the stratification, the higher the Mn substitution (eg 40% Mn). There is also evidence for the formation of a second phase (perhaps Li 2 MnO 3 ) with data for 40% Mn substitution.

【0014】1997年5月6日に発行された米国特許
第5,626,635(Matsushita)には、
LiNi1−y化合物(ここで、MはCoまた
はMnのいずれかである。)を製造する方法が記載され
ている。MはMnであり、yは0.3かそれより小さい
と好ましい。この開示によると、30%より多いNiが
Mnにより置換されると、結晶成長は困難になり、第2
リチウム電池のカソードとして使用される場合、材料は
サイクルが悪化する。この材料を製造する方法が推薦す
る制限温度は600〜800度である。この開示による
と、Niに対して置換されたMnを含有する材料を80
0度を超えて加熱すると、結晶構造のLi部位に位置し
ないMnによって、無秩序となり、放電容量とサイクル
寿命の悪化をもたらす。
US Patent No. 5,626,635 (Matsushita) issued May 6, 1997 includes:
LiNi 1-y M y O 2 compounds (here, M is either Co or Mn.) Process for producing it are described. Preferably M is Mn and y is 0.3 or less. According to this disclosure, if more than 30% of Ni is replaced by Mn, crystal growth becomes difficult and the second
When used as a cathode in a lithium battery, the material will cycle poorly. The limit temperature recommended by the method for producing this material is between 600 and 800 degrees. According to this disclosure, a material containing Mn substituted for Ni is 80%.
When heated beyond 0 degrees, Mn that is not located at the Li site in the crystal structure becomes disordered, resulting in deterioration of discharge capacity and cycle life.

【0015】1995年2月28日に発行された米国特
許第5,393,622(Matsushita)に
は、LiNi1−xMn(ここで、0<x≦
0.3および1≦y≦1.3である。)を製造する方法
が記載されている。この方法は、Li塩、Mn酸化物、
または炭酸塩、およびNiの炭酸塩または水酸化物を使
用した多段階固体状態反応であった。材料はリチウム量
を変えて調整された。付加的なLi(y>1)を層状の
MnをドープしたLiNiOに挿入することを示して
いる。 しかし、0.3モル以下のMnを結晶構造に導
入できることが観察された。xが0.3より大きいと
き、結晶性が低下することが観察され、xが0.4のと
き、第2の相の形成を表すMnスピネルピークがX線回
折データに表われた。xが0.3まで対応した材料は約
1.010のc/a(=chex/(240.5
hex))比を有する層状相であり、chex軸は一般
に「14.15<c<14.24オングストロームであ
る」。すなわち、ここで開示される本発明により達成さ
れた程、充分には層状化されていない。
US Pat. No. 5,393,622 (Matsushita) issued February 28, 1995 includes Li y Ni 1-x Mn x O 2, where 0 <x ≦
0.3 and 1 ≦ y ≦ 1.3. ) Are described. This method comprises the steps of Li salt, Mn oxide,
Or a multi-step solid state reaction using carbonate and Ni carbonate or hydroxide. The materials were adjusted with varying amounts of lithium. It shows that additional Li (y> 1) is inserted into the layered Mn-doped LiNiO 2 . However, it was observed that up to 0.3 moles of Mn could be introduced into the crystal structure. When x was greater than 0.3, a decrease in crystallinity was observed, and when x was 0.4, a Mn spinel peak representing the formation of the second phase appeared in the X-ray diffraction data. The material corresponding to x up to 0.3 has a c / a of about 1.010 (= c hex / (24 0.5 a
hex )) ratio and the c hex axis is generally "14.15 <c <14.24 angstroms". That is, it is not sufficiently layered to be achieved by the invention disclosed herein.

【0016】2000年4月4日に発行された米国特許
第6,045,771(FujiChemical I
ndustry Co.)には、Liy−x1Ni
1−x (ここで、MはAl、Fe、Co、M
nおよびMgからなる群から選択される1の元素を表
し、x=x+x、0<x≦0.2、0<x≦0.
5、0<x≦0.5、0.9≦y≦1.3す。)の製造
方法が開示されている。開示された化合物にはLiNi
1−xMn(ここで、xは0.4までである。)
が含まれるが、Mnの量が増加すると、容量の増加が徐
々になくなる。
US Patent No. 6,045,771 issued April 4, 2000 (FujiChemical I)
ndustry Co. ) Includes Li y-x1 Ni
In 1-x 2 M x O 2 ( where, M is Al, Fe, Co, M
represents one element selected from the group consisting of n and Mg, x = x 1 + x 2 , 0 <x 1 ≦ 0.2, 0 <x 2 ≦ 0.
5, 0 <x ≦ 0.5, 0.9 ≦ y ≦ 1.3. ) Is disclosed. The disclosed compounds include LiNi
1-x Mn x O 2 (wherein, x is up to 0.4.)
However, when the amount of Mn increases, the increase in capacity gradually stops.

【0017】さらに、日本特許第JP3047693お
よびJP3042128(マツシマ)には、特別な方法
で製造されたLiNi1−xの材料から構成さ
れるバッテリーを開示している。しかし、Mn量が0.
3を超えた場合に、容量が非常に減少する。したがっ
て、0<x<0.3の組成が好ましい。
Furthermore, Japanese Patents JP 3047693 and JP 3042128 (Matsushima) disclose a battery composed of a LiNi 1-x M x O 2 material manufactured by a special method. However, when the amount of Mn is 0.1.
Above 3, the capacity is greatly reduced. Therefore, a composition of 0 <x <0.3 is preferable.

【0018】欧州特許出願EP0 918 041
(富士薬品工業(株))には、LiNi1−xCo
x1x2の材料が開示されている(ここで、0.
9≦y≦1.3、0<x≦0.5、0<x<0.5、x
+x=xであり、MがMnのとき0<x≦0.3
である。)。Mnを含有した1種の材料のみが開示され
ており、このとき、ここで、x=0.05である。さ
らに、欧州特許出願EP0944 125には、Ni、
Co、およびMnの組み合わせを含むリチウム金属化合
物の酸化物を開示している。記載された全ての化合物
は、少なくとも49%のNi(Ni+Co+Mn全体に
対する百分率として)、および最大40%のMn(Ni
+Co+Mn全体に対する百分率として)を含む。
European Patent Application EP 0 918 041
(Fuji Pharmaceutical Co., Ltd.) has Li y Ni 1-x Co
x1 M x2 O 2 materials have been disclosed (here, 0.
9 ≦ y ≦ 1.3, 0 <x ≦ 0.5, 0 <x 1 <0.5, x
1 + x 2 = x, and when M is Mn, 0 <x 2 ≦ 0.3
It is. ). Only one material containing Mn is disclosed, where x 2 = 0.05. In addition, European Patent Application EP 0 944 125 includes Ni,
Disclosed is an oxide of a lithium metal compound containing a combination of Co and Mn. All compounds described have at least 49% Ni (as a percentage of total Ni + Co + Mn) and up to 40% Mn (Ni
+ Co + Mn).

【0019】さらに、Ni、Co、Mnの組み合わせ
は、欧州特許出願EP0 782 206(Japan Stor
age Battery Company)に開示されている。しかし、M
nの量が30%を超えた場合に(Ni+Co+Mn全体
に対する百分率として)、バッテリーの容量に著しい減
少が見られた。したがって、好ましい組成は、Mnが3
0%より少ない場合である。また、Alの添加は、温度
安全特性を向上するのに好ましいと考えられた。
Further, a combination of Ni, Co and Mn is described in European Patent Application EP 0 782 206 (Japan Stor
age Battery Company). But M
When the amount of n exceeded 30% (as a percentage of total Ni + Co + Mn), a significant decrease in battery capacity was seen. Therefore, a preferred composition is that Mn is 3
This is the case when less than 0%. Also, it was considered that the addition of Al was preferable for improving the temperature safety characteristics.

【0020】要するに、多量のMnをLiNiOに置
換することにより可能な利点は、従来技術においてしば
しば議論されたが、多量のMnを置換した材料が、許容
される電気化学的特性を示すということは示されていな
い。このことは、一般に、結晶構造の層特性が低いこ
と、あるいはマンガンが多いLiNiOには、多層混
合物に層分離する傾向があることに関係し得る。
In short, the possible benefits of replacing large amounts of Mn with LiNiO 2 , often discussed in the prior art, indicate that materials with large amounts of Mn substituted exhibit acceptable electrochemical properties. Is not shown. This is generally possible layer properties of the crystal structure is low, or LiNiO 2, manganese is large, may be related to their tendency to phase separation in the multilayer mixture.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、充分
に発達した層状結晶構造を有するリチオ化酸化物材料を
提供し、上記問題の少なくとも幾つかを低減あるいは克
服し、あるいは有益な代替物を具えた開示物を提供する
ことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a lithiated oxide material having a well-developed layered crystal structure, to reduce or overcome at least some of the above problems, or to provide a useful alternative. An object of the present invention is to provide a disclosure comprising:

【0022】本発明の他の目的は、単に例示として挙げ
られた以下の開示から明らかになるであろう。
[0022] Other objects of the present invention will become apparent from the following disclosure, given by way of example only.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】本発明の単相カソード材
料は、Li[LiCo1−x−y]O(式中、
A=[MnNi1−z]を表し、0.4≦z≦0.6
5、0<x≦0.16、および0.1≦y≦0.30であ
る。)の組成であり、付加的なリチウムxが前記構造体
の遷移金属層に含まれる。好ましくは、前記材料は、
1.012より大きいc/a比を有する単相の充分に発
達した層状R−3m結晶構造である(ここで、この比
は、Chex/241/2hexである)。
The single-phase cathode material of the present invention is Li [Li x Co y A 1-xy ] O 2 (wherein
A = represents a [Mn z Ni 1-z] , 0.4 ≦ z ≦ 0.6
5, 0 <x ≦ 0.16 and 0.1 ≦ y ≦ 0.30. ) Wherein additional lithium x is included in the transition metal layer of the structure. Preferably, said material is:
It is a single-phase, well-developed layered R-3m crystal structure with a c / a ratio greater than 1.012 (where the ratio is C hex / 24 1/2 a hex ).

【0024】好ましくは、0.05≦x≦0.10、y
は約0.16であり、zは約0.50である。
Preferably, 0.05 ≦ x ≦ 0.10, y
Is about 0.16 and z is about 0.50.

【0025】本発明は、以下の組成の材料を製造する方
法であり、その組成は、Li[Li Co
1−x−y]O(式中、A=[MnNi1−z]を
表し、0.4≦z≦0.65、0≦x≦0.16、および
0.1≦y≦0.30)であり、前記材料は1.012よ
り大きいc/a比を有する単相の、充分に発達した層状
のR−3m結晶構造であり(ここで、この比は、C
hex/241/2hexである。)、付加的なリチ
ウムxが前記構造体の遷移金属層に含まれ、その方法
は、Ni、Mn、およびCoを含む金属陽イオンの混合
物を有する前駆体を調製し、該前駆体を化学量論的量の
Li源と混合し、得られた混合物を高温にて反応させる
ことを含んで構成される。好ましくは、前記前駆体が、
酸素含有雰囲気中でほぼ500℃〜1000℃の範囲の
温度にて加熱される。また、この温度は、ほぼ900℃
〜1000℃の範囲の温度が好ましく、少なくとも12
時間が好ましい。
The present invention relates to a method for producing a material having the following composition.
And the composition is Li [Li xCoyA
1-xy] O2(Where A = [MnzNi1-z]
And 0.4 ≦ z ≦ 0.65, 0 ≦ x ≦ 0.16, and
0.1 ≦ y ≦ 0.30) and the material is 1.012
Single-phase, well-developed layered structure with higher c / a ratio
R-3m crystal structure (where the ratio is C
hex/ 241/2ahexIt is. ), Additional Litchi
X is included in the transition metal layer of the structure, the method comprising:
Is a mixture of metal cations containing Ni, Mn, and Co
Preparing a precursor having a stoichiometric amount of
Mix with Li source and react the resulting mixture at high temperature
It is comprised including that. Preferably, the precursor is
In an oxygen-containing atmosphere, a temperature in the range of
Heated at temperature. Also, this temperature is almost 900 ° C
Temperatures in the range of ~ 1000C are preferred, at least 12
Time is preferred.

【0026】好ましくは、前記前駆体は金属水酸化物の
混合物である。
Preferably, said precursor is a mixture of metal hydroxides.

【0027】好ましくは、前記金属水酸化物の混合物
は、Ni、Mn、およびCoを含有する溶液から共沈に
より得られる。
Preferably, the mixture of metal hydroxides is obtained by coprecipitation from a solution containing Ni, Mn and Co.

【0028】あるいは、前記前駆体は、M(式
中、MはNi、Mn、およびCoの組み合わせを表
す。)により表される金属酸化物の混合物である。
Alternatively, the precursor is a mixture of metal oxides represented by M 3 O 4 (where M represents a combination of Ni, Mn, and Co).

【0029】好ましくは、前記Mは、金属水酸化
物の混合物から調製される。あるいは、前記前駆体は、
MO(式中、MはNi、Mn、およびCoの組み合わせ
を表す。)により表される金属酸化物の混合物である。
Preferably, said M 3 O 4 is prepared from a mixture of metal hydroxides. Alternatively, the precursor is
It is a mixture of metal oxides represented by MO (where M represents a combination of Ni, Mn, and Co).

【0030】好ましくは、金属酸化物の混合物であるM
Oは、金属水酸化物の混合物から調製される。
Preferably, M is a mixture of metal oxides.
O is prepared from a mixture of metal hydroxides.

【0031】あるいは、前記金属前駆体の混合物は、L
MO(式中、MはNi、Mn、およびCoの組み
合わせを表し、xは約1を表す。)により表される金属
酸化物の混合物である。好ましくは、リチウム源は、L
COである。
Alternatively, the mixture of the metal precursor is L
(wherein, M represents a combination of Ni, Mn, and Co, x represents. about 1) i x MO 2 is a mixture of a metal oxide represented by. Preferably, the lithium source is L
i 2 CO 3 .

【0032】本発明は、以下の組成の材料を製造する方
法であり、その組成は、Li[Li Co
1−x−y]O(式中、A=[MnNi1−z]を
表し、0.4≦z≦0.65、0<x≦0.16、および
0.1≦y≦0.30)であり、前記材料は1.012よ
り大きいc/a比を有する単相の、充分に発達した層状
のR−3m結晶構造であり(ここで、この比は、C
hex/241/2hexである。)、付加的なリチ
ウムxが前記構造体の遷移金属層に含まれ、その方法
は、金属酸化物の粉末を混合し、前記金属酸化物は、N
i、Mn、Coおよびリチウムを含み、前記混合物をボ
ールミルで粉砕し、前駆体酸化物を製造し、前記前駆体
酸化物を加熱することを含んで構成される。
The present invention relates to a method for producing a material having the following composition.
And the composition is Li [Li xCoyA
1-xy] O2(Where A = [MnzNi1-z]
Where 0.4 ≦ z ≦ 0.65, 0 <x ≦ 0.16, and
0.1 ≦ y ≦ 0.30) and the material is 1.012
Single-phase, well-developed layered structure with higher c / a ratio
R-3m crystal structure (where the ratio is C
hex/ 241/2ahexIt is. ), Additional Litchi
X is included in the transition metal layer of the structure, the method comprising:
Mixes powder of metal oxide, and said metal oxide is N
i, Mn, Co and lithium.
Mill with a mill to produce a precursor oxide, the precursor
The method includes heating the oxide.

【0033】好ましくは、前記金属酸化物は、リチウム
と酸素の全量が、最終的なリチオ化酸化物材料中に要求
される化学量論量にほぼなるように選択される。
[0033] Preferably, the metal oxide is selected such that the total amount of lithium and oxygen is close to the stoichiometric amount required in the final lithiated oxide material.

【0034】さらに好ましくは、前記前駆体酸化物の加
熱、あるいは前記混合物の反応が、酸素含有雰囲気中で
ほぼ500℃〜1000℃の範囲の温度にてなされる。
More preferably, the heating of the precursor oxide or the reaction of the mixture is performed in an oxygen-containing atmosphere at a temperature in the range of about 500 ° C. to 1000 ° C.

【0035】好ましくは、この温度は、ほぼ900℃〜
1000℃の範囲内であり、好ましくは、少なくとも1
2時間行われる。
Preferably, this temperature is between about 900 ° C.
In the range of 1000 ° C., preferably at least 1
Performed for 2 hours.

【0036】さらに、本発明は、層状結晶構造を有する
リチオ化酸化物材料の製造方法であり、これらは、上記
のようなものであり、また、以下の実施例や図面にて示
されている。
Further, the present invention relates to a method for producing a lithiated oxide material having a layered crystal structure, which is as described above, and is shown in the following examples and drawings. .

【0037】さらに、本発明は、層状結晶構造を有する
リチオ化酸化物材料を提供し、これらは、上記のような
ものであり、また、以下の実施例や図面にて示されてい
る。さらに、本発明は、第二リチウムイオン電気化学的
電池にて使用すためのカソードを提供し、前記カソード
は、活性材料として、上記のようなリチオ化酸化物材料
を含む。
The present invention further provides lithiated oxide materials having a layered crystal structure, which are as described above and are shown in the following examples and figures. Further, the present invention provides a cathode for use in a secondary lithium ion electrochemical cell, said cathode comprising as active material a lithiated oxide material as described above.

【0038】さらに、本発明は、リチウムインターカレ
ーションアノード、リチウム塩を含む適当な非水性電解
液、活性材料として記載のようなリチオ化酸化物材料を
含むカソード、およびアノードとカソードとの間のセパ
レータを有する第二リチウムイオン電気化学的電池を提
供する。
Further, the present invention relates to a lithium intercalation anode, a suitable non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, a cathode containing a lithiated oxide material as described as an active material, and a method for forming a cathode between an anode and a cathode. A second lithium ion electrochemical cell having a separator is provided.

【0039】さらに、本発明は、カソードおよび/また
は第二リチウムイオン電気化学的電池の製造において記
載したリチオ化酸化物材料の使用を提供する。
The invention further provides for the use of the lithiated oxide materials described in the manufacture of cathode and / or secondary lithium ion electrochemical cells.

【0040】本発明の他の観点は、例示としてのみ挙げ
られた以下の記載や図面から明らかになるであろう。
Other aspects of the invention will become apparent from the following description and drawings, given by way of example only.

【0041】[0041]

【発明の実施の形態】本発明は、数多くの種々の態様で
具体化することが可能であるが、発明の理解のために開
示した図面および明細書に記載した特定の態様によって
は、本発明は限定されるものではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS While the present invention may be embodied in many different forms, there are certain embodiments described in the drawings and specification that are disclosed for an understanding of the invention. Is not limited.

【0042】本発明は、層状のリチウム/遷移金属酸化
物カソード材料を開示しており、多量のマンガンを置換
して、競争的な電気化学的特性および良好な熱安全特性
を具えた低コストのカソード材料を提供する。
The present invention discloses a layered lithium / transition metal oxide cathode material that replaces large amounts of manganese to provide a low cost, with competitive electrochemical and good thermal safety properties. A cathode material is provided.

【0043】発明品の材料は、充分に層状化しており、
リチウム部位に少量の遷移金属が誤配置されており、
1.012より大きい高c:a比を有する。前記c:a
比は、六方晶系格子定数aで割った六方晶系格子定数c
の比を241/2で割ったものとして規定される。高
c:a比は、小さい斜方六面体角αに相当する。
The material of the invention is fully layered,
A small amount of transition metal is misplaced in the lithium site,
It has a high c: a ratio greater than 1.012. The c: a
The ratio is the hexagonal lattice constant c divided by the hexagonal lattice constant a
Is divided by 24 1/2 . A high c: a ratio corresponds to a small rhombohedral angle α.

【0044】本発明の材料は、Li[Mn
1−z]Oの組成に基づいている。本発明の重要な
観点は、製造コストを下げるためと、良好な熱安全特性
を達成するために、zができる限り大きいことであり、
好ましくは、少なくとも0.4より大きいことである。
しかし、従来技術は、一貫して、第二リチウム電池にお
けるカソード活性材料として使用した場合に、z≧0.
4の材料の電気化学的特性について開示している。特
に、z<0.4の場合の組成と比較した場合に、容量が
低下し、サイクル安定性が劣る。これらの問題は、本発
明の以下の観点により解消される。
The material of the present invention is Li [Mn z N
i 1-z ] O 2 . An important aspect of the present invention is that z is as large as possible to reduce manufacturing costs and to achieve good thermal safety properties;
Preferably, it is at least greater than 0.4.
However, the prior art has consistently used z ≧ 0.3 when used as the cathode active material in secondary lithium batteries.
No. 4 discloses the electrochemical properties of the materials. In particular, as compared with the composition when z <0.4, the capacity is reduced, and the cycle stability is inferior. These problems are solved by the following aspects of the present invention.

【0045】本発明によると、Li[Mn
1−z]O(z≧0.4)において、マンガンによ
るニッケルの置換により、付加的なリチウムを材料の結
晶構造に導入することが可能になる。付加的なリチウム
は、遷移金属層陽イオン部位にドープされ、 Li
[LiMnNi1−x−z]Oの組成の材料が得
られる。付加的なリチウムの量は本発明の実施例で説明
したように変えることができる。これらの材料の遷移金
属層のリチウムの役割は、充分に発達した層状構造を安
定化して、リチウム層に位置する遷移金属陽イオンを保
持する傾向を少なくすることである。これは、リチウム
層に遷移金属が誤って位置する駆動力が部位エントロピ
ーからの働きであるためである。化学量論的に、充分に
秩序立ったLi[M]Oの材料では、あるLiとMと
が部位を交換する場合、部位エントロピーに大きな利得
がある。この効果は、陽イオン混合と呼ばれる。この材
料が過剰のLiを有する場合には、その理想的な配置
は、Li[Li1−x]Oである。MがLi部位
を占める場合、{Li1−y}[Lix+y
1−x−y]Oをもたらす部位利得は、非常に減少す
る。本発明の材料では、遷移金属層への付加的なリチウ
ムのドーピングにより、リチウム層の遷移金属量が非常
に少ないカソードとなり、良好な電気化学的特性が得ら
れる。また、リチウムは反応性Ni4+を希釈するのに
役立ち、したがって、熱安全特性はさらに改良される。
According to the present invention, Li [Mn z N
In i 1-z ] O 2 (z ≧ 0.4), the replacement of nickel by manganese makes it possible to introduce additional lithium into the crystal structure of the material. Additional lithium is doped into the transition metal layer cation sites, and Li
[Li x Mn z Ni 1- x-z] material of the composition of O 2 is obtained. The amount of additional lithium can be varied as described in the embodiments of the present invention. The role of lithium in the transition metal layer of these materials is to stabilize the well-developed layered structure and reduce the tendency to retain transition metal cations located in the lithium layer. This is because the driving force at which the transition metal is erroneously located in the lithium layer is a function from the site entropy. In a stoichiometrically well-ordered Li [M] O 2 material, there is a large gain in site entropy when certain Li and M exchange sites. This effect is called cation mixing. If this material has excess Li, its ideal configuration is Li [Li x M 1-x ] O 2 . When M occupies a Li site, {Li 1− y My }} [Li x + y M
Sites gain resulting in 1-x-y] O 2 is greatly reduced. In the material of the present invention, additional lithium doping of the transition metal layer results in a cathode having a very low amount of transition metal in the lithium layer and good electrochemical properties. Lithium also helps to dilute the reactive Ni 4+ , thus further improving the thermal safety properties.

【0046】より良好な層構造を有する相を得るため
に、付加的なリチウムを構造体に組み入れる利益につい
ても、選択的な方法において説明することができる。L
iMO 材料(LiCrO、LiAlO、LiMn
、LiCoO、LiNiO、LiTiO)を
観察すると、遷移金属陽イオンがリチウムより非常に小
さいイオン半径を有する場合、相は充分に発達する傾向
にある。互いに半径が大きくなる程、充分に層状化した
相を作ることがより困難になる。例えば3価のマンガン
を有する純粋なLiMnOは、層状化構造において、
熱力学的に安定である。一方、リチウムをLiMnO
に添加することにより、層状構造において常に結晶化す
るLiMnO(そうでなければ、Li[Li1/3
2/3]O として知られている)になる。このこ
とは、4価のマンガンのイオン半径がリチウムのイオン
半径よりもずっと小さいという事実により説明できる。
また、1/3Liおよび2/3Mn4+の平均イオン
半径は、リチウムのイオン半径より依然かなり小さい。
したがって、層状構造を安定化する。
In order to obtain a phase having a better layer structure
The benefits of incorporating additional lithium into the structure.
However, it can be explained in an alternative method. L
iMO 2Material (LiCrO2, LiAlO2, LiMn
O2, LiCoO2, LiNiO2, LiTiO2)
Observation shows that transition metal cations are much smaller than lithium
The phase tends to develop well if it has a small ionic radius
It is in. The larger the radius of each other, the more layered
Creating phases becomes more difficult. For example, trivalent manganese
Pure LiMnO with2Is a layered structure
Thermodynamically stable. On the other hand, lithium is converted to LiMnO2
Always causes crystallization in the layered structure.
LiMnO2(Otherwise, Li [Li1/3M
n2/3] O2 Known as). this child
Is a lithium ion with an ionic radius of tetravalent manganese
This can be explained by the fact that it is much smaller than the radius.
Also, 1 / 3Li+And 2 / 3Mn4+Average ion of
The radius is still much smaller than the ionic radius of lithium.
Therefore, the layered structure is stabilized.

【0047】Liを遷移金属に直接ドーピングするとい
う概念は、LiNiOに対する研究ではない。Li
[Li1/3Ni2/3]O(ここで、Niは4価で
ある。)の相は、極端な酸化条件下で調製できる。しか
し、高温では安定ではなく、あるいは、酸素分圧を下げ
る。付加的なリチウムはCoにドープすることができ、
化学量論的なLi1+yCo1−yを有する相にな
る。しかし、この場合、このドーピングは有利ではな
い。ドープされないLiCoOは完全な層構造Li
[Co]Oを有するが、リチウムが多い層Li1+x
Co1−xは多量の陽イオン混合を有するLi
1−yCo[Lix+yCo1−x−y]O材料に
なる。
The concept of doping Li directly into transition metals is not a study on LiNiO 2 . Li
The phase of [Li 1/3 Ni 2/3 ] O 2 (where Ni is tetravalent) can be prepared under extreme oxidizing conditions. However, it is not stable at high temperatures, or lowers the oxygen partial pressure. Additional lithium can be doped into Co,
A phase with stoichiometric Li 1 + y Co 1-y O 2 results. However, in this case, this doping is not advantageous. Undoped LiCoO 2 has a complete layer structure Li
Layer Li 1 + x with [Co] O 2 but rich in lithium
Co 1-x O 2 is Li with a large cation mixture
Becomes 1-y Co y [Li x + y Co 1-x-y] O 2 material.

【0048】LiNiOに基づく材料において遷移金
属層を変えるために、従来技術において記載された他の
ドーパントと比べると、リチウムのドーピングには別の
利点がある。リチウムは非常に軽い元素である。多くの
電池への応用では、質量エネルギー密度あるいは容量に
関心がある。LiNiOにおけるNiに対するAlお
よびMg1/2Ti1/2等のドーパントは電気化学的
に不活性である。これらは、バッテリーのカソードを充
電および放電する間に原子価状態を変えない。これらの
役割は、サイクルの間の容量保持性および安全性を向上
させることである。本発明では、同様の目的に対してリ
チウムを使用する。しかし、リチウムをドーピングした
後、最終材料は、より重い元素をドープしたLiNiO
と比較して、Niあたりの分子量が小さい。したがっ
て、(遷移金属の原子価状態について)同様に放電に対
して、リチウムドープ材料は、より大きい重量放電容量
を有する。
To change the transition metal layer in LiNiO 2 -based materials, lithium doping has another advantage compared to other dopants described in the prior art. Lithium is a very light element. For many battery applications, the interest is in mass energy density or capacity. Dopants such as Al and Mg 1/2 Ti 1/2 for Ni in LiNiO 2 are electrochemically inert. They do not change the valence state while charging and discharging the battery cathode. Their role is to improve capacity retention and safety during the cycle. In the present invention, lithium is used for the same purpose. However, after doping with lithium, the final material is LiNiO
2 , the molecular weight per Ni is smaller. Thus, for discharge as well (for the valence state of the transition metal), the lithium-doped material has a higher weight discharge capacity.

【0049】本発明の材料の付加的なLi量xは、遷移
金属層のリチウムの記載の利点を得るためには、少なく
とも0.03である必要がある。しかし、材料の理論的
な容量は遷移金属層におけるリチウムドーピング量が増
えるのに伴って減少する。好ましい、過剰のリチウム
は、0.05〜0.10の範囲である。
The additional Li amount x of the material according to the invention must be at least 0.03 in order to obtain the stated advantages of lithium in the transition metal layer. However, the theoretical capacity of the material decreases with increasing lithium doping in the transition metal layer. Preferred excess lithium is in the range of 0.05 to 0.10.

【0050】本発明の別の観点によると、Coを添加す
ることにより、従来技術の材料に関する層状構造の改良
に貢献する為に、遷移金属層に付加的なリチウムを保持
するという利点が高まる。Coはまた電子導電性および
層状相におけるイオン拡散を改良することが知られてい
る。これは、付加的な利点である。組成Li[Li
(MnNi1−z1−x−y]OのCoの量
yは、0.05と小さい。しかし、本発明の利点を得る
ためには、好ましくは、y≧0.1である。一方、Co
は、高価であり、有害であるので、y>0.3は、本発
明の材料のコストおよび安全性の利点を非常に減少させ
る。
According to another aspect of the present invention, the addition of Co enhances the advantage of retaining additional lithium in the transition metal layer to contribute to the improvement of the layered structure over prior art materials. Co is also known to improve electronic conductivity and ion diffusion in the layered phase. This is an additional advantage. Composition Li [Li x C
The amount y of o y (Mn z Ni 1- z) 1-x-y] O 2 of Co is small as 0.05. However, to obtain the advantages of the present invention, preferably y ≧ 0.1. On the other hand, Co
Is expensive and harmful, so y> 0.3 greatly reduces the cost and safety advantages of the materials of the present invention.

【0051】実際、純粋な酸化物、水酸化物、または炭
酸塩(例えばMn、Ni(OH)、LiCO
、Co)等の前駆体から直接固体状態反応によ
りLi[LiCo(Mn
1−z1−x−y]Oの固溶体を調製することは
非常に困難である。このような調製法では、完了まで
に、非常に反応時間が長く、非常に高温であることが必
要であろう。また、得られたカソードは、サイクル特性
が非常に劣る。この調製法は、原子スケールでいろいろ
な陽イオンが良好に混合できる方法を使用して良好に行
うことができる。このような方法は、沈殿、乾燥、また
は溶解した遷移金属塩(水酸化物、炭酸塩、オキサレー
ト等)の混合物のゲル化、および文献で知る他の方法を
含む。このような方法は「ソフトケミカル」ルートと呼
ばれる。本発明の材料の好ましい調製法は、混合された
水酸化物の共沈である。この理由は、ミクロ構造の制御
が可能だからである。混合された水酸化物は、次に、加
熱工程でリチウム源(例えばLiCO)と焼結され
る。
In practice, pure oxides, hydroxides or carbonates (eg Mn 2 O 3 , Ni (OH) 2 , Li 2 CO 3
3, Co 3 O 4) by direct solid-state reaction from a precursor such as Li [Li x Co y (Mn z N
It is very difficult to prepare a solid solution of i 1-z ) 1-xy ] O 2 . Such a preparation would require very long reaction times and very high temperatures to complete. Moreover, the obtained cathode has very poor cycle characteristics. This preparation method can be carried out well using a method that allows good mixing of various cations on an atomic scale. Such methods include precipitation, drying, or gelling of a mixture of dissolved transition metal salts (hydroxides, carbonates, oxalates, etc.) and other methods known in the literature. Such a method is called a "soft chemical" route. A preferred method of preparing the materials of the present invention is co-precipitation of the mixed hydroxide. This is because the microstructure can be controlled. The mixed hydroxide is then sintered in a heating step with a lithium source (eg, Li 2 CO 3 ).

【0052】あるいは、充分に結晶化したLi[Li
Co(MnNi1−z1−x −y]Oをリチウ
ム源および混合された酸化物を使用して固体状態反応に
より調製できる。この混合された酸化物は、ロック塩構
造MOあるいはスピネル構造Mを有しており、固
体状態反応により、または混合された水酸化物から、ま
たは、ソフトケミカルルートにより調製される他の前駆
体から調製できる。
Alternatively, fully crystallized Li [Li x
Co y (Mn z Ni 1- z) 1-x -y] a O 2 using a lithium source and mixed oxides can be prepared by a solid state reaction. The mixed oxide has a rock salt structure MO or a spinel structure M 3 O 4 and may be prepared by a solid state reaction or from a mixed hydroxide or other soft chemical route. It can be prepared from a precursor.

【0053】本発明の別の態様では、充分に層状化した
材料は、高エネルギーボールミル工程にて調製した前駆
体を焼結することにより得ることができる。従来の工程
では、ボールミルによりMOまたはMの酸化物の
混合物中で遷移金属前駆体を調製する。その後、遷移金
属前駆体は、リチウム源、典型的にはリチウム塩と混合
され、最終焼結工程が行われる。別の従来の方法では、
遷移金属前駆体をリチウム塩とボールミルで粉砕し、そ
の後で焼結する。これらの従来の方法では、焼結される
前駆体は正しい原子価状態の陽イオンを持つようにはな
らない。別のアプローチとしては、正しい遷移金属酸化
状態の前駆体となる材料と充分に混合されたリチウムを
ボールミルし、その後焼結する。この方法によると、リ
チウム部位に誤配置された少量の遷移金属イオンを有す
る高層状化相に対する最終平衡が、焼結の間により早
く、より効果的に達成される。これは、一般にMが遷移
金属およびリチウムを含む化学量論量のMOの「ロック
塩」を有するリチウム遷移金属酸化物の混合物をボール
ミルすることにより達成できる。層状化相LiCo
、LiNiOおよびLi[Li1/3
2/3]OおよびAlをドープしたLiMnO
よびLiMnOは、一般式MOを有する秩序立った陽
イオンロック塩型の酸化物として記載できる。Mは付加
的に、Li、Ti、Mn、Ni、Fe、Co、Alおよ
び/またはMgからなる。種々の型のロック塩前駆体L
iMOの混合物を使用することにより、無秩序なロッ
ク塩層の所望の化学量論量のLi1−xO(xは
0.5にほぼ等しいか、これより僅かに大きい)が得ら
れる。制御された過剰のLiを有する前駆体は、前駆体
内でLi[Li /3Mn2/3]OとLiMnO
の釣り合った量の混合物を使用することにより達成され
る。ボールミル後、得られた無秩序なロック塩相におい
て、遷移金属原子価状態は同じ化学量論量の最終層状化
相におけると同じである。さらに、Liは遷移金属陽イ
オンと充分に混合される。したがって、最終的な層状化
相に対する平衡は、ガス相から酸素を添加することな
く、生じ得るし、陽イオン拡散を長期に行う必要がな
い。さらに、最終焼結工程中の平衡化は非常に速い。
In another embodiment of the present invention, a fully layered
The material is a precursor prepared by a high energy ball mill process.
It can be obtained by sintering the body. Conventional process
Then, MO or M by ball mill3O4Oxide of
A transition metal precursor is prepared in the mixture. Then the transition gold
The genus precursor is mixed with a lithium source, typically a lithium salt
Then, a final sintering step is performed. In another conventional way,
The transition metal precursor is pulverized with a lithium salt and a ball mill, and
After sintering. In these conventional methods, it is sintered
Precursors should not have cations in the correct valence state
No. Another approach is to use the correct transition metal oxidation
Lithium fully mixed with the precursor material of the state
Ball mill and then sinter. According to this method,
Has a small amount of transition metal ion misplaced at the thium site
Final equilibrium for the layered phase
And more effectively achieved. This generally means that M transitions
Stoichiometric MO containing metal and lithium
Ball mixture of lithium transition metal oxides with "salt"
This can be achieved by milling. Layered phase LiCo
O 2, LiNiO2And Li [Li1/3M
n2/3] O2And Al-doped LiMnO2You
And LiMnO2Is an orderly positive with the general formula MO
It can be described as an ion lock salt type oxide. M is added
Li, Ti, Mn, Ni, Fe, Co, Al and
And / or Mg. Various Types of Rock Salt Precursors L
iMO2The use of a mixture of
The desired stoichiometric amount of Li in the salt layerxM1-xO (x is
About 0.5 or slightly greater than 0.5)
It is. The precursor having a controlled excess of Li is a precursor
Within Li [Li1 / 3Mn2/3] O2And LiMnO2
Achieved by using a balanced amount of the mixture
You. After ball milling, the disordered rock salt phase obtained
The transition metal valence state has the same stoichiometric final layering
Same as in the phase. In addition, Li is a transition metal
Mix well with on. Therefore, the final layering
The equilibrium for the phase does not require the addition of oxygen from the gas phase.
And do not require long-term cation diffusion.
No. Furthermore, the equilibration during the final sintering step is very fast.

【0054】LiMnO材料は、リチウム層中に置き
違えられた遷移金属イオンを幾つか有する傾向がある。
これは、自由形成エンタルピーへ部位エントロピーが貢
献するからである。このエントロピーの働きは温度に依
存する。温度が高い程、貢献度がより高い。したがっ
て、高温では、リチウム層中に置き違えられた遷移金属
の濃度が高い相になる傾向があり、遷移金属層にリチウ
ムを取り込む利益を妨害する。このことは、従来技術の
LiMnOおよび置換LiMnO材料について周知
である。したがって、従来技術から、このような材料
が、比較的低温で、および/または比較的短い加熱時間
で調製されることがわかる。例えば、米国特許第5,6
26,635号(マツシタ、1997)によると、Li
Ni1−y 化合物は800℃より低い温度で反
応される。この特許によると、Niと置換されたMnを
含む材料を800℃より高温で加熱すると、Mnは結晶
構造のLi部位で置き違えられ、その結果、無秩序化
し、放電容量およびサイクル寿命が短くなる。本発明の
材料の重要な特性は、材料を、長時間および/または比
較的高温(900℃以上)で焼結することができるとい
うことである。このような焼結工程は、実際には層状化
構造を劣化させず、本発明の材料の電気化学的特性を改
良する。この特性により、本発明の材料は多くの従来技
術の材料およびこの製法から差別化される。
LiMnO2Material placed in lithium layer
It tends to have some transition metal ions that are different.
This is because site entropy contributes to free-form enthalpy.
Because I offer it. The function of this entropy depends on the temperature.
Exist. The higher the temperature, the higher the contribution. Accordingly
At high temperatures, the transition metal displaced in the lithium layer
Phase tends to be high, and lithium
Hinder the benefit of taking the system. This is a consequence of the prior art.
LiMnO2And substituted LiMnO2Well-known materials
It is. Therefore, from the prior art, such materials
But at relatively low temperatures and / or relatively short heating times
It can be seen that it is prepared by For example, US Pat.
According to No. 26,635 (Matsushita, 1997), Li
Ni1-yM yO2Compounds react at temperatures below 800 ° C
Responded. According to this patent, Mn substituted with Ni is
When the material containing is heated above 800 ° C, Mn
Misplaced at the Li site of the structure, resulting in disorder
As a result, the discharge capacity and the cycle life are shortened. Of the present invention
An important property of a material is that
Can be sintered at a relatively high temperature (above 900 ° C)
That is. Such a sintering process is actually layered
Improve the electrochemical properties of the material of the present invention without deteriorating the structure
Good. Due to this property, the material of the present invention can be used in many conventional techniques.
Differentiated from surgical materials and this recipe.

【0055】本発明の材料の別の利点は、熱安全特性を
高めることである。マンガンは、コバルトまたはニッケ
ルと比較すると、4価において比較的安定、すなわち、
非反応性である。したがって、マンガンは、反応性Ni
4+を希釈することにより、LiMnOを基礎とする
材料の安全性を改良する効果的なドーパントである。従
来技術は、AlまたはMg+Tiの組み合わせを置換し
て同じ目的を達成するが、実際、このようなドーパント
は、容量および/またはカソードの速度能力の損失をも
たらす。カソードが高電子導電性を有する場合、リチウ
ムの拡散が速くなるに過ぎない。ある原子価状態におい
てのみ安定なAlまたはMg等のドーパントに対して、
マンガンは3+および4+の原子価において安定であ
る。したがって、マンガンは、電子またはホールのホッ
ピングを可能にすることにより、電子導電性に貢献す
る。AlまたはMgは同じようには貢献しない。したが
って、AlまたはMgによるドーピングの場合より高い
レベルのMnのドーピンングを、電子導電性の損失な
く、反応性Ni4+の効果的に希釈することに利用でき
る。LiNiOのマンガン置換は、理論的は最大放電
容量を減少しない。LiNiOでは、ニッケルは3価
である。全リチウムを抽出した場合、ニッケルの一当量
が3+から4+の原子価状態に変わり、容量は285m
Ah/gとなるであろう。同じ最大容量は、理論的に
は、Li[Ni1/2Mn1/2]Oにおいて得られ
る。Li[Ni1/2Mn1/2]Oでは、ニッケル
は2価、マンガンは4価であると考えられる。全リチウ
ムを抽出すると、ニッケルの半分の当量が、2+から4
+の原子価状態にチャージされ、同じ容量を生じる。
Another advantage of the material of the present invention is that it enhances thermal safety properties. Manganese is relatively stable in tetravalent as compared to cobalt or nickel, ie,
Non-reactive. Therefore, manganese is reactive Ni
4+ by diluting a effective dopant for improving the safety of the materials based on LiMnO 2. While the prior art replaces the Al or Mg + Ti combination to achieve the same goal, in practice such dopants result in a loss of capacity and / or cathode speed capability. If the cathode has a high electronic conductivity, the diffusion of lithium will only be faster. For dopants such as Al or Mg that are stable only in certain valence states,
Manganese is stable at 3+ and 4+ valencies. Thus, manganese contributes to electronic conductivity by allowing hopping of electrons or holes. Al or Mg do not contribute as well. Therefore, higher levels of Mn doping than doping with Al or Mg can be used to effectively dilute the reactive Ni 4+ without loss of electronic conductivity. Manganese substitution of LiNiO 2 does not theoretically reduce the maximum discharge capacity. In LiNiO 2 , nickel is trivalent. When all lithium is extracted, one equivalent of nickel changes from a 3+ to a 4+ valence state, and the capacity is 285 m.
Ah / g. The same maximum capacity is theoretically obtained for Li [Ni 1/2 Mn 1/2 ] O 2 . In Li [Ni 1/2 Mn 1/2 ] O 2 , nickel is considered to be divalent and manganese is tetravalent. When all lithium is extracted, half the equivalent of nickel is 2+ to 4
Charged to the + valence state, producing the same capacitance.

【0056】比較例1 この例は、LiNiOまたはLiCoOに対する余
分なリチウム単独の添加により、これらの材料における
層状化構造が改良されないことを例証的に示している。
LiCOおよびNi(OH)はLi:Ni=1.
05:1(試料1A)およびLi:Ni=1.25:1
(試料1B)にて混合され、粉砕される。得られた粉末
は、空気中で2日間、750℃で反応される。
Comparative Example 1 This example demonstrates that the addition of extra lithium alone to LiNiO 2 or LiCoO 2 does not improve the layered structure in these materials.
For Li 2 CO 3 and Ni (OH) 2 , Li: Ni = 1.
05: 1 (Sample 1A) and Li: Ni = 1.25: 1
(Sample 1B) is mixed and pulverized. The resulting powder is reacted at 750 ° C. for 2 days in air.

【0057】LiCOおよびCoOはLi:Co=
1.05:1(試料1C)およびLi:Co=1.2
5:1(試料1D)にて混合され、粉砕される。得られ
た粉末は、空気中で2日間、750℃で反応される。
Li 2 CO 3 and CoO are Li: Co =
1.05: 1 (sample 1C) and Li: Co = 1.2
Mix and grind at 5: 1 (Sample 1D). The resulting powder is reacted at 750 ° C. for 2 days in air.

【0058】4つの試料に対するX線回折パターン(C
uK放射を使用し、フィリップスのX’Pert 装置によ
る)を図1示す。全材料は支配的にR−3m構造を有す
る層状化相であった。試料1A(LiNiO)のX線
パターンは、微量のLiCO を示す。試料1Bのパ
ターンは、LiCOに関する強度ピークの増加を示
す。このことから、過剰のリチウムはLiNiO材料
に取り込まれないことがわかる。これは、X線回折パタ
ーンを注意深く解析することにより確認される。その結
果を表1に示す。ユニットセル体積は、一般式ユニット
LiMOに対して与えられる。試料1Aおよび1B
は、類似の格子定数およびR値を有する。ここで、実験
的なR値は、101ピークの積分強度に対する006+
102ピークの積分強度の比を計算することにより得ら
れる。R値はリチウム層中のリチウム量xに以下の式に
より関連する。
The X-ray diffraction patterns (C
uk X'Pert instrument using uK radiation
FIG. 1 is shown in FIG. All materials dominantly have R-3m structure
Layered phase. Sample 1A (LiNiO2) X-ray
The pattern is traces of Li2CO 3Is shown. Sample 1B
The turn is Li2CO3Shows an increase in the intensity peak for
You. From this, the excess lithium is converted to LiNiO2material
It is understood that it is not taken into. This is the X-ray diffraction pattern
Confirmed by careful analysis of the sequence. The result
The results are shown in Table 1. Unit cell volume is a general formula unit
LiMO2Given to Samples 1A and 1B
Have similar lattice constants and R values. Where the experiment
Typical R value is 006+ with respect to the integrated intensity of 101 peak.
Obtained by calculating the ratio of the integrated intensity of the 102 peaks.
It is. The R value is calculated by the following formula to the amount x of lithium in the lithium layer.
More relevant.

【数1】 したがって、1−xは、置き違えた遷移金属の数であ
る。
(Equation 1) Thus, 1-x is the number of misplaced transition metals.

【0059】したがって、R値は{Li1−xNi
[Ni]O相の組成の見積もりを可能にする(表1参
照)。試料1Aおよび1Bに対するR値は共に0.7以
上であり、多量のニッケルがリチウム層上で置き違えら
れることを示している。遷移金属層中に付加的なリチウ
ムを有する高層状化材料を得るために、リチウムを添加
することは、LiNiOに対して効果的ではないこと
が結論付けられる。
Therefore, the R value is {Li 1-x Ni x }
Enables estimation of the composition of the [Ni] O 2 phase (see Table 1). The R values for samples 1A and 1B are both greater than or equal to 0.7, indicating that a large amount of nickel is displaced on the lithium layer. To obtain a high-rise shape of material having additional lithium in the transition metal layer, the addition of lithium is concluded that it is not effective against LiNiO 2.

【0060】試料1Cおよび1Dは、単相材料であっ
た。格子定数は同じである。注意深くX線回折パターン
を解析することにより、付加的なリチウムがLiCoO
の遷移金属層に取り込まれることができるということ
に結論付けることができる。低ドープ試料1C(LiC
oOに近い化学量論量)は高層状化構造を有する。R
値は、リチウム層に遷移金属がない層状化構造に対する
理想的な値に近い。しかし、リチウムが多い試料1D
(ほぼLi1.11Co0.89の化学量論量)
は、層状化が低い。R値は大きく0.7である。組成L
1+yCo1−yO2および構造{Li1−x
}[Liy+xCo1−x−y]Oのカソードに
対して、以下の関係が得られる。
Samples 1C and 1D were single phase materials. The lattice constants are the same. By careful analysis of the X-ray diffraction pattern, additional lithium is added to the LiCoO
It can be concluded that the second transition metal layer can be incorporated. Lightly doped sample 1C (LiC
(stoichiometry close to oO 2 ) has a highly layered structure. R
The values are close to the ideal values for a layered structure with no transition metal in the lithium layer. However, the lithium-rich sample 1D
(Almost stoichiometric amount of Li 1.11 Co 0.89 O 2 )
Has low layering. The R value is as large as 0.7. Composition L
i 1 + y Co 1-y O2 and the structure {Li 1-x C
against o x} [Li y + x Co 1-x-y] cathodes of O 2, the following relationship is obtained.

【数2】 (Equation 2)

【0061】試料1Dの場合、リチウムが多いLiCo
は多量の置き違えられたコバルト陽イオンをLi層
上に有することを示している。その構造は、{Li
0.87Co0.13}[Li0.24Co0.76
として見積もられる。
In the case of sample 1D, LiCo rich in LiCo
O 2 is shown to have a cobalt cation misplaced large amount on the Li layer. Its structure is {Li
0.87 Co 0.13 {[Li 0.24 Co 0.76 ]
It is estimated as O 2.

【0062】明らかに、リチウム単独によるLiNiO
またはLiCoOのドーピングは、高層状化構造を
もたらさない。しかし、続く例は、マンガンによる置換
により遷移金属層にLiを有する高層状化材料が本発明
の材料において得ることができることを示す。
Clearly, LiNiO by lithium alone
Doping with 2 or LiCoO 2 does not result in a layered structure. However, the examples that follow show that a layered material having Li in the transition metal layer by substitution with manganese can be obtained in the material of the invention.

【表1】 [Table 1]

【0063】実施例2および3 本発明の材料の遷移金属層に付加的なリチウムをドーピ
ングすることにより、リチウム層に誤配置された遷移金
属イオンが低濃度の層状化材料が得られることを、これ
らの例は示している。この有益は効果は、材料がCoを
含む場合に増加する。Coの量が、全遷移金属の約10
%より多い場合には、高層状化構造が熱力学的に好まし
い。この場合、より長い反応時間により、誤配置された
遷移金属が非常に少ない高層状化構造に向かう材料の平
衡化が可能になる。
Examples 2 and 3 By doping the transition metal layer of the material of the invention with additional lithium, a layered material with a low concentration of transition metal ions misplaced in the lithium layer was obtained. These examples are shown. This benefit increases when the material contains Co. The amount of Co is about 10% of the total transition metal.
If it is higher than%, a highly layered structure is thermodynamically preferred. In this case, a longer reaction time allows equilibration of the material towards a highly layered structure with very few misplaced transition metals.

【0064】混合水酸化物[Co(Mn
1−z1−x]O(OH)は、NaOH溶液を
用いてMn−Ni−Coの硝酸塩溶液から共沈により調
製できた。Z=約0.5であり、Co量は異なる(遷移
金属の約5%、10%、16.7%)3種の異なる混合
水酸化物を調製した。沈殿物を集めて、空気中で120
℃で乾燥した。その後、この沈殿を異なる化学量論量の
LiCOを混合し、粉砕した。得られた粉末を空気
中で36時間750℃で反応させた。最終試料の化学分
析により以下の結果を得た。
The mixed hydroxide [Co x (Mn z N)
i1 -z ) 1-x ] Ow (OH) q could be prepared by coprecipitation from a Mn-Ni-Co nitrate solution using a NaOH solution. Three different mixed hydroxides were prepared with Z = about 0.5 and different Co amounts (about 5%, 10%, 16.7% of transition metal). Collect the sediment and in air 120
Dried at ° C. The precipitate was then mixed with different stoichiometric amounts of Li 2 CO 3 and ground. The resulting powder was reacted at 750 ° C. for 36 hours in air. The following results were obtained by chemical analysis of the final sample.

【0065】試料2Aおよび2Bは組成Li[Li
1−y]Oを有し、ここでy=0.095およびy=
0.134、M=Mn0.469Ni0.48Co
0.05 であった。
Samples 2A and 2B have the composition Li [Li y M
It has a 1-y] O 2, where y = 0.095 and y =
0.134, M = Mn 0.469 Ni 0.48 Co
0.05 was 1.

【0066】試料2Cおよび2Dは組成Li[Li
1−y]Oを有し、ここでy=0.083およびy=
0.123、M=Mn0.449Ni0.45Co
0.10 であった。
Samples 2C and 2D have the composition Li [Li y M
It has a 1-y] O 2, where y = 0.083 and y =
0.123, M = Mn 0.449 Ni 0.45 Co
0.10 was 1.

【0067】試料2Eおよび2Fは組成Li[Li
1−y]Oを有し、ここでy=0.064およびy=
0.106、M=Mn0.416Ni0.415Co
0.1 69であった。
Samples 2E and 2F have the composition Li [Li y M
It has a 1-y] O 2, where y = 0.064 and y =
0.106, M = Mn 0.416 Ni 0.415 Co
It was 0.1 69.

【0068】全試料が単相であり、層状化α−NaFe
構造であった。図2は、X線パターンの2つの重要
な領域を示している。回折パターンは、より規則的にな
り、Coの量が増えると、高層状化構造の特性となる。
特に、108と110のピーク間の分離および006と
102のピーク間の分離がより大きくなる。X線回折デ
ータの注意深い解析により得られた構造データを表2の
Aに示す。試料2Aおよび2B、2Cおよび2D、およ
び2Eおよび2Fの結果を比較すると、各組みの第2の
試料は、Liがより多く、Coの全ドーピングレベルに
対して、Liが多い試料はc/a比がより高いことを示
す。付加的に導入されたLiは、より完全な層状化構造
をもたらす。
All samples are single phase and have a layered α-NaFe
It was an O 2 structure. FIG. 2 shows two important areas of the X-ray pattern. The diffraction pattern becomes more regular, and as the amount of Co increases, it becomes a characteristic of a layered structure.
In particular, the separation between peaks 108 and 110 and between 006 and 102 is greater. The structural data obtained by careful analysis of the X-ray diffraction data is shown in Table 2A. Comparing the results of Samples 2A and 2B, 2C and 2D, and 2E and 2F, the second sample in each set has more Li and, for all Co doping levels, the Li-rich sample has c / a Indicates that the ratio is higher. The additionally introduced Li leads to a more complete layered structure.

【0069】試料2A−Fをさらに4日間750℃、空
気中で焼結し、試料3A−Fを得る。焼結後の全試料
は、単相であり、層状化α−NaFeO構造であっ
た。図3は、X線パターンの2つの重要な領域を示す。
この回折パターンは、より規則的になり、Coの量が増
えると、高層状化構造の特性となる。特に、108と1
10のピーク間の分離および006と102のピーク間
の分離がより大きくなる。X線回折データの注意深い解
析により得られた構造データを表2のBに示す。試料3
Aおよび3B、3Cおよび3D、および3Eおよび3F
の結果を比較すると、各組みの第2の試料は、Liがよ
り多く、Coの全ドーピングレベルに対して、Liが多
い試料はc/a比がより高いことを示す。付加的に導入
されたLiは、より完全な層状化構造をもたらす。
Samples 2A-F are sintered for 4 days at 750 ° C. in air to obtain Samples 3A-F. All samples after sintering were single phase and had a layered α-NaFeO 2 structure. FIG. 3 shows two important areas of the X-ray pattern.
The diffraction pattern becomes more regular, and as the amount of Co increases, it becomes a characteristic of the layered structure. In particular, 108 and 1
There is greater separation between the 10 peaks and between 006 and 102 peaks. The structural data obtained by careful analysis of the X-ray diffraction data is shown in Table 2B. Sample 3
A and 3B, 3C and 3D, and 3E and 3F
Comparing the results, the second sample in each set shows more Li and the higher Li sample has a higher c / a ratio for all Co doping levels. The additionally introduced Li leads to a more complete layered structure.

【0070】実験的に得られたR値(積分ピーク強度
比)から、誤配置遷移金属陽イオンの濃度を見積もっ
た。化学量論量のLi[Li1−y]O、M=
(Ni1/ Mn1/25/6Co1/6、を有する
材料および式{Li1−x}[Liy+x
1−y−x]Oに至るある陽イオン混合物(xM交換
はxリチウムを配置する)に対して、Rは下式にしたが
って、xおよびyに依存する。
From the R value (integrated peak intensity ratio) obtained experimentally, the concentration of the misplaced transition metal cation was estimated. Stoichiometric amount of Li [Li y M 1-y ] O 2 , M =
(Ni 1/2 Mn 1/2) 5/6 Co 1/6, materials and formula having {Li 1-x M x} [Li y + x M
Against 1-y-x] cation mixture in reaching the O 2 (xM exchange places the x lithium), R is according to the following equation, dependent on x and y.

【数3】 (Equation 3)

【0071】結果を表3および図4に示す。図4は、リ
チウムおよびコバルトをより多く含む試料が誤配置遷移
金属陽イオンの濃度がより低いことを示している。36
時間後および5日後の平衡状態を比較すると、コバルト
のレベルが増加するのに伴って、試料は誤配置遷移金属
陽イオンの濃度がより少ない層状化構造に向かって平衡
化することがわかる。しかし、コバルトのドーピングが
低過ぎる(全遷移金属の略10%より少ない)と、平衡
状態は低層状化構造に向かう傾向になる。X線回折デー
タの リートベルド法の改良は、誤配置陽イオンの同じ
傾向と類似の濃度を示した。
The results are shown in Table 3 and FIG. FIG. 4 shows that the sample containing more lithium and cobalt has a lower concentration of misplaced transition metal cations. 36
Comparing the equilibrium after time and after 5 days, it can be seen that as the level of cobalt increases, the sample equilibrates towards a layered structure with a lower concentration of misplaced transition metal cations. However, if the cobalt doping is too low (less than about 10% of the total transition metal), the equilibrium will tend toward a less stratified structure. Improvements in the Rietveld method of the X-ray diffraction data showed the same trend and similar concentrations of misplaced cations.

【0072】全試料に対して、リチウムの化学量論量お
よびコバルト含量が増加すると、誤配置陽イオンの程度
がより低い傾向になる。充分な量(≧10%)のコバル
トを用いたドーピングにより、誤配置陽イオンが非常に
少ない相を熱力学的が安定化をもたらす。長い反応時間
が、この好ましい平衡化形状に至るために必要である。
したがって、この例は、大過剰なリチウム(Li[Li
1−x]Oのxは0.11である)および多量の
コバルトドーピングを伴った長い反応時間により、非常
に少量(約1%)誤配置陽イオンを有する試料を調製す
ることができる。
For all samples, as the stoichiometry of lithium and the cobalt content increase, the degree of mislocated cations tends to be lower. Doping with a sufficient amount of cobalt (≧ 10%) results in thermodynamic stabilization of the phase with very few misplaced cations. Long reaction times are required to reach this preferred equilibrium configuration.
Therefore, this example shows that a large excess of lithium (Li [Li
x M 1-x ] O 2 , where x is 0.11) and the long reaction time with heavy cobalt doping makes it possible to prepare samples with very small amounts (about 1%) of misplaced cations. it can.

【0073】試料3D、2E、2F、3Eおよび3Fを
含む電極を、80重量%の酸化物材料、12重量%のア
セチレンブラックおよび8重量%のポリ(ビニリデンフ
ルオライド)を1―メチル−2−ピロリジノン(NM
P)のスラリーとして混合することにより調製した。こ
のスラリーをアルミニウム箔上にコーティングした。溶
媒を蒸発させた後、このコーティングをアルミニウム箔
上でプレスし、真空下、150℃でアニールした。その
後、直径14mmの環状電極をコーティング箔からパン
チングした。環状電極を個々に計量し、有効質量(アル
ミニウム基板の重量に対して補正された環状電極の全質
量に、リチオ化金属酸化物材料により作られた電極重量
のフラクションを掛けることによる)を計算した。その
後、電極を真空下、150℃で乾燥し、微量の水分を除
去し、アルゴン充填乾燥グローブボックス(<1pp
m)に移した。
The electrodes containing samples 3D, 2E, 2F, 3E and 3F were treated with 80% by weight of oxide material, 12% by weight of acetylene black and 8% by weight of poly (vinylidene fluoride) with 1-methyl-2- Pyrrolidinone (NM
It was prepared by mixing as a slurry of P). This slurry was coated on aluminum foil. After evaporation of the solvent, the coating was pressed on aluminum foil and annealed at 150 ° C. under vacuum. Thereafter, a ring electrode having a diameter of 14 mm was punched from the coating foil. The ring electrodes were weighed individually and the effective mass was calculated (by multiplying the total mass of the ring electrode, corrected for the weight of the aluminum substrate, by a fraction of the electrode weight made of lithiated metal oxide material). . The electrodes were then dried at 150 ° C. under vacuum to remove traces of water and dried in a glove box filled with argon (<1 pp.
m).

【0074】電極を、電気化学的電池に、アルゴン充填
乾燥グローブボックス内で、2032ボタン電池ハード
ウェアを使用して、アノードとしては、厚さ0.38m
mのリチウム箔の環状ディスク、および電極溶液(50
重量%のエチレンカーボネート+50重量%のジメチレ
ンカーボネート)中1MのLiPFで濡らした多孔質
ガラス遷移ディスクセパレーターを用いて組み立てた。
The electrodes were placed in an electrochemical cell in a dry glove box filled with argon, using 2032 button cell hardware, with a thickness of 0.38 m as the anode.
m lithium foil annular disk and electrode solution (50
Assembled using a porous glass transition disc separator wetted with 1M LiPF 6 in (wt% ethylene carbonate + 50 wt% dimethylene carbonate).

【0075】この方法で調製した電池を、室温(21
℃)および高温(55℃)にて2.0および4.4Vの
間を200回より多くサイクルした。一定の充電電流を
4.4Vに達するまで流し、その後、電流が15mA/
gより下がるまで、この電池を4.4Vに維持した。電
池を一定の電流で2.5Vまで放電した。電池を、30
mA/g(C/5レート)の電流速度でサイクル5まで
充電および放電を行った。その後は、75mA/g(c
/2レート)で行った。
The battery prepared by this method was used at room temperature (21
C.) and elevated temperature (55 ° C.) more than 200 cycles between 2.0 and 4.4V. A constant charging current was applied until reaching 4.4 V, after which the current was reduced to 15 mA /
The battery was maintained at 4.4V until it fell below g. The battery was discharged at a constant current to 2.5V. Replace the battery with 30
Charge and discharge were performed up to cycle 5 at a current rate of mA / g (C / 5 rate). After that, 75 mA / g (c
/ 2 rate).

【0076】材料3Fについて、最良の電気化学的特性
を得た。それは、C/5レートで155mA/gの可逆
容量を有した。C/2レートにおける容量は139mA
/gであった。C/2レートで100サイクルの後、8
9%の容量を保持した。200サイクル後は、81%の
容量を保持した。試料2Fは類似の初期容量を持ってい
たが、容量はサイクルにつれて、急速に消失した(50
サイクル後に50%の保持であった)。この例による
と、充分なリチウムを遷移金属層にドーピングし、付加
的にコバルトを用いてドーピングし、焼結を長時間する
ことにより、誤配置陽イオンを非常に少なく調製した材
料は、優れた電気化学的特性を有するカソードが得られ
ることを示している。
The best electrochemical properties were obtained for material 3F. It had a reversible capacity of 155 mA / g at C / 5 rate. 139 mA capacity at C / 2 rate
/ G. After 100 cycles at C / 2 rate, 8
9% capacity was retained. After 200 cycles, 81% capacity was maintained. Sample 2F had a similar initial volume, but the volume disappeared rapidly with cycling (50
50% retention after the cycle). According to this example, a material prepared by doping the transition metal layer with sufficient lithium, additionally doping with cobalt, and prolonging the sintering time, resulting in very few misplaced cations, is excellent. This shows that a cathode having electrochemical properties can be obtained.

【表2】 [Table 2]

【表3】 [Table 3]

【0077】組成Co0.16Mn0.43Ni
0.41(OH)の混合水酸化物を、実施例2お
よび3で説明したようにして調製し、LiCO
1.1のLi対1の遷移金属の化学量論比で、2日間、
970℃、空気中で反応させた。結晶構造データを表4
に示す。その材料からなるカソードを調製し、実施例2
および3で記載したように試験した。22℃で、その材
料は16サイクルで167mA/g容量をしめし(ここ
で、電流レートは30mA/gであった)、18サイク
ルで150mA/g容量を示した(ここで、電流レート
は150mA/gであった)。100サイクル以上で、
容量のロスは4%より少なかった。サイクル196(3
0mA/g)における放電容量は161mA/gであっ
た。したがって、材料は、高い容量、レート容量および
容量保持を示した。これは、高層状化構造と関連があ
り、高温での比較的長い焼結時間を使用するミクロ構造
上の有益な効果に関連する。
Composition Co 0.16 Mn 0.43 Ni
A mixed hydroxide of 0.41 O w (OH) q was prepared as described in Examples 2 and 3 and the stoichiometric ratio of Li 2 CO 3 and 1.1 of Li to 1 transition metal. And for two days,
The reaction was performed at 970 ° C. in the air. Table 4 shows the crystal structure data.
Shown in A cathode made of the material was prepared, and Example 2 was prepared.
And 3 as described. At 22 ° C., the material exhibited a 167 mA / g capacity in 16 cycles (where the current rate was 30 mA / g) and a 150 mA / g capacity in 18 cycles (where the current rate was 150 mA / g). g). Over 100 cycles,
Loss of capacity was less than 4%. Cycle 196 (3
(0 mA / g), the discharge capacity was 161 mA / g. Thus, the material exhibited high capacity, rate capacity and capacity retention. This is related to the layered structure and to the beneficial effects on the microstructure using relatively long sintering times at high temperatures.

【表4】 [Table 4]

【0078】実施例5 この実施例では、本発明の材料は、リチウム源をM
型のスピネル構造を有する前駆体を反応させることに
より、また、付加的なリチウムを層状化NaFeO
造を有する組成Li1+xMOの前駆体を反応させる
ことにより調製できることを示す。
Example 5 In this example, the material of the present invention uses a lithium source of M 3 O
It is shown that additional lithium can be prepared by reacting a precursor having a type 4 spinel structure and by reacting a precursor of a composition Li 1 + x MO 2 having a layered NaFeO 2 structure.

【0079】M(ここで、M=(Ni1/2Mn
1/25/6Co1/6)を、実施例2および3で記
載したようにして調製した混合水酸化物(Ni1/2
/25/6Co1/6から、この水酸化物を2日
間1000℃で空気中で加熱することいより調製した。
化合物をLiCOと混合し、表示組成Li
[Li1−x]O(x=0.11)を得た。混合
粉末を5日間、750℃、空気中で反応させ、試料5A
を得た。実施例4の材料を付加的なLiCO と混合
し、表示組成Li[Li1−x]O(y=0.1
1)を得て、5日間、750℃、空気中で反応し、試料
5Bを得た。実施例4の材料を、付加的なLiCO
と混合し、表示組成Li[Li1−x]O(y=
0.09) を得て、5日間、750℃、空気中で反応
させ、試料5Cを得た。図5は、前駆体と、最終相5A
および5Bの回折パターンを示す。試料5Cは試料5B
のパターンと類似のパターンを示した。α−NaFeO
構造を有する単相高層状化Li[Li1−x]O
を、全ての場合において得た。試料5Bおよび5Cは
試料5Cよりも、より結晶化している。これは、応力の
ために、ピークの広がりを示す。試料5Bおよび5Cの
回折パターンは、20〜22度2θで、試料5Aの強度
よりも、低い強度を示し、Li[Li1−x]O
の遷移金属層の付加的なLiが良好に混合されることを
示す。
M3O4(Where M = (Ni1/2Mn
1/2)5/6Co1/6) Are described in Examples 2 and 3.
The mixed hydroxide (Ni1/2M
n1 / 2)5/6Co1/6From this hydroxide for 2 days
Prepared by heating in air at 1000.degree.
M3O4Compound Li2CO3And the indicated composition Li
[LixM1-x] O2(X = 0.11) was obtained. mixture
The powder was reacted for 5 days at 750 ° C. in air, and sample 5A
I got Example 4 material with additional Li2CO 3Mixed with
And the display composition Li [LixM1-x] O2(Y = 0.1
1) was obtained and reacted in air at 750 ° C for 5 days.
5B was obtained. The material of Example 4 is replaced with additional Li2CO3
With the indicated composition Li [LixM1-x] O2(Y =
0.09) and reacted in air at 750 ° C for 5 days
Then, Sample 5C was obtained. FIG. 5 shows the precursor and final phase 5A.
5A and 5B show diffraction patterns. Sample 5C is sample 5B
A pattern similar to the pattern shown in FIG. α-NaFeO
2Single-phase highly layered Li [LixM1-x] O
2Was obtained in all cases. Samples 5B and 5C
It is more crystallized than sample 5C. This is the stress
To show the broadening of the peak. For samples 5B and 5C
The diffraction pattern is 20-22 degrees 2θ and the intensity of sample 5A
Than Li [LixM1-x] O2
That the additional Li of the transition metal layer of
Show.

【0080】これらの試料に対する構造データは表5に
示す。全試料は高層状化し、高いc/a比を有する。し
かし、試料5Aに対するより高いc/aおよびより小さ
いRファクターにより、これは、試料5Bまたは5Cよ
り僅かに良好な層状構造を有することがわかる。M=
(Ni1/2Mn1/25/6Co1/6に対する
R、xおよびy間の関係は以下のようになる。
Table 5 shows the structural data for these samples. All samples are stratified and have a high c / a ratio. However, due to the higher c / a and smaller R factor for sample 5A, it can be seen that it has a slightly better lamellar structure than sample 5B or 5C. M =
The relationship between R, x, and y for (Ni 1/2 Mn 1/2 ) 5/6 Co 1/6 is as follows.

【数4】 (Equation 4)

【0081】101、102、および006のピークの
積分強度から得た実験的なR値を使用して、試料5Aの
構造を{Li0.9710.029}[Li0.14
.86]Oとして計算する。試料5Bの構造を
{Li0.9710.029}[Li0.14
0.86]Oとして計算する。試料5Cの構造を{L
.970.03}[Li
0.1210.879]Oとして計算する。リチウ
ム層上の誤配置遷移金属陽イオンの濃度が低いことによ
り、良好な電気化学的特性が得られる。試料5Bまたは
5Cを伴ったカソードを、実施例2および3に記載した
ような方法を使用して、調製し、試験した。そして、優
れた電気化学的特性が示され、表6に示す。C/5、C
/2、Cおよび2Cレートにおける、カソードとしての
試料5Cの電池の放電電圧特性を図6に示す。
Using the experimental R values obtained from the integrated intensities of the peaks at 101, 102, and 006, the structure of sample 5A was changed to {Li 0.971 M 0.029 } [Li 0.14
M 0 . 86] is calculated as O 2. The structure of sample 5B was changed to {Li 0.971 M 0.029 } [Li 0.14 M
0.86] is calculated as O 2. The structure of sample 5C is expressed as
i 0 . 97 M 0.03 {[Li
0.121 M 0.879] calculated as O 2. Good electrochemical properties are obtained due to the low concentration of misplaced transition metal cations on the lithium layer. Cathodes with samples 5B or 5C were prepared and tested using methods as described in Examples 2 and 3. And, excellent electrochemical properties are shown in Table 6. C / 5, C
FIG. 6 shows the discharge voltage characteristics of the sample 5C battery as a cathode at the / 2, C, and 2C rates.

【表5】 [Table 5]

【表6】 [Table 6]

【0082】実施例6 この実施例では、本発明の材料は高エネルギーボールミ
ルにより調製された前駆体からも合成できることを示し
ている。この実施例は、特に、ボールミルによるロック
塩型の前駆体の調製に焦点をおいている。この前駆体
は、酸素および所望の化学量論比のリチウムを含む全陽
イオンを含み、原子スケールで充分に混合されている。
層状化相をもたらす最終反応は、長時間にわたる陽イオ
ンまたは酸素の拡散を必要としない。したがって、工程
が早く、反応時間が短縮化される。
Example 6 This example shows that the materials of the present invention can also be synthesized from precursors prepared by a high energy ball mill. This example focuses specifically on the preparation of a rock salt type precursor by ball milling. This precursor contains all cations, including oxygen and the desired stoichiometric ratio of lithium, and is well-mixed on an atomic scale.
The final reaction leading to the layered phase does not require long-term cation or oxygen diffusion. Therefore, the process is quick and the reaction time is shortened.

【0083】調製は2工程で行われた。すなわち、ロッ
ク塩型の酸化物を、原子スケールで充分に混合された酸
素および陽イオン(リチウムを含む)を用いて高エネル
ギーボールミルを使用して調製し;この前駆体を焼結し
て、最終層状化相を得る。
The preparation was performed in two steps. That is, an oxide of the Rock salt type is prepared using a high energy ball mill with well-mixed oxygen and cations (including lithium) on an atomic scale; Obtain a layered phase.

【0084】LiMnO(すなわちLi[Li
1/3Mn2/3]O)、Li[Ni 0.8Co
0.2]O、およびLiCoOの粉末を空気中で従
来の固体状態反応により調製した。LiMnOを従来
の固体状態反応によりN流中で調製した。受容体とし
てAlを使用した。
Li2MnO3(That is, Li [Li
1/3Mn2/3] O2), Li [Ni 0.8Co
0.2] O2, And LiCoO2Powder in air
Prepared by conventional solid state reaction. LiMnO2The traditional
The solid state reaction of2Prepared in stream. As a receptor
Al2O3It was used.

【0085】Li[Li1/3Mn2/3]O、Li
[Ni0.8Co0.2]O、およびLiMnO
およびAlの粉末を混合して、表示化学量論Li
[Li0.05Mn0.37Ni0.37Co0.14
Al0.07]O2.035を得た。少量過剰な酸素
は、実際、ボールミル中の、ロック塩型の混合酸化物
(化学量論のMO、ここで、M=Li0.525Mn
0.185Ni0.185Co0.07
0.035)への反応を阻害しない。図7のAは、1
5時間ボールミルを行った後のX線回折パターンを示
す。回折パターンのピークは、広く、非常に小さい粒を
示す。結晶構造は、主に無秩序なロック塩型のMOであ
るが、低程度の遷移金属秩序(恐らく低温LiCoO
に対して知られているような立方スピネル型の構造中)
は18.5度2θにおけるピークにより示される。
Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 , Li
[Ni 0.8 Co 0.2 ] O 2 , and LiMnO 2 ,
And Al 2 O 3 powder are mixed to give the indicated stoichiometry Li
[Li 0.05 Mn 0.37 Ni 0.37 Co 0.14
Al 0.07 ] O 2.035 was obtained. A small excess of oxygen can indeed result in a mixed oxide of the rock salt type (stoichiometric MO, where M = Li 0.525 Mn) in a ball mill.
0.185 Ni 0.185 Co 0.07 A
l 0.035 ). A in FIG.
5 shows an X-ray diffraction pattern after performing ball milling for 5 hours. The peaks in the diffraction pattern are broad and show very small grains. The crystal structure is predominantly disordered rock salt MO, but with a low degree of transition metal order (perhaps low temperature LiCoO 2
In a cubic spinel-type structure known to
Is indicated by the peak at 18.5 degrees 2θ.

【0086】ボールミルで粉砕した粉末を、付加的なリ
チウムを添加することなく、24時間、800℃で熱処
理に付した。最終材料のX線回折パターンを図7のBに
示す。この材料は、43.7度2θにおける小さいショ
ルダーピークにより示される非常に少量の不純物を含
む。しかし、主相は所望の層状化NaFeO構造を有
する単相である。六方晶系のc軸は14.283±0.
0015であり、a軸は2.874±0.0002Åで
あり、c:a比は1.0144となる。
The ball milled powder was subjected to a heat treatment at 800 ° C. for 24 hours without the addition of additional lithium. The X-ray diffraction pattern of the final material is shown in FIG. This material contains a very small amount of impurities, indicated by a small shoulder peak at 43.7 degrees 2θ. However, the main phase is a single phase having the desired layered NaFeO 2 structure. The hexagonal c-axis is 14.283 ± 0.
0015, the a-axis is 2.874 ± 0.0002 °, and the c: a ratio is 1.0144.

【0087】実施例7 この実施例では、本発明の材料が、市販のLiCoO
およびCo−Mg−TiをドープしたLiNiOより
も、より安全であることを示す。LiCoOおよびC
o−Mg−TiをドープしたLiNiOは、ドープし
ないLiNiO よりもかなり安全であることが知られ
ている。この実施例では、本発明の遷移金属層にLiを
添加することにより生じるMn置換の重要な利点が、安
全性を改良したカソードを得ることにあることを示す。
Example 7 In this example, the material of the present invention was prepared using commercially available LiCoO2
And LiNiO doped with Co-Mg-Ti2Than
Also indicates that it is more secure. LiCoO2And C
LiNiO doped with o-Mg-Ti2Dope
Not LiNiO 2Known to be much more secure than
ing. In this embodiment, Li is added to the transition metal layer of the present invention.
An important advantage of Mn substitution caused by the addition is that
It is shown that the goal is to obtain a cathode with improved integrity.

【0088】カソードを、市販のLiCoO材料(B
ET表面積0.48m/g)、市販のLiNi0.7
Co0.2Ti0.05Mg0.04(BET表面
積1.9m/g)、および実施例5の試料5BLi
[Li0.110.89]O 、ここでM=(Ni
1/2Mn1/25/6Co1/6、(BET表面積
1.3m/g)を使用して調製した。カソードを作る
ために、スラリーを、スーパーSカーボン(70mg)
および700mgのカソードの充分に振とうした混合物
を、250mgのDBP(ジブチルフタレート)で混合
した2.2gの乾燥アセトン中に溶かした180mgの
8キナルフレックス(Kynarflex)共重合体からなる溶
液に添加することにより調製した。このスラリーをガラ
スプレート上にドクターブレードを使用してテープキャ
ストした。乾燥後、前記シートを無水エチルエーテルで
3回洗浄し、DBPを除去した。その後、カソードディ
スクをパンチングした。電池を実施例3に記載したのと
同様にして調製した。ただし、EC/DEC(50/5
0比)を電解溶媒として、EC/DMCの代わりに使用
した。
The cathode was made of a commercially available LiCoO2Material (B
ET surface area 0.48m2/ G), commercially available LiNi0.7
Co0.2Ti0.05Mg0.04O2(BET surface
1.9m product2/ G), and sample 5BLi of Example 5.
[Li0.11M0.89] O 2, Where M = (Ni
1/2Mn1/2)5/6Co1/6, (BET surface area
1.3m2/ G). Make the cathode
To make the slurry, Super S carbon (70mg)
And a well shaken mixture of 700 mg cathode
Mixed with 250 mg of DBP (dibutyl phthalate)
180 mg of dissolved in 2.2 g of dry acetone
Solution consisting of 8 Kynarflex copolymer
It was prepared by adding to the solution. This slurry
Use a doctor blade on the tape
Struck. After drying, the sheet was dried with anhydrous ethyl ether.
Washed three times to remove DBP. After that, the cathode
The punch was punched. The battery was described in Example 3.
Prepared similarly. However, EC / DEC (50/5
0 ratio) as an electrolytic solvent instead of EC / DMC
did.

【0089】LiCoOを含む電池を充電し、放電
し、再充電して4.2Vにした。LiNi0.7Co
0.2Ti0.05Mg0.04を含む電池を4.
3Vおよび4.5Vに充電し、Li[Li0.11
0.89]O(M={Ni1/2Mn1/25/6
Co1/6)を4.3V、4.4Vおよび4.5Vに充
電した。電流はC/15レートに対応した。電池は、約
2時間、高い電圧に維持した。DSC測定前の電気化学
的充電を図8に示す。再充電の充電容量は表7に示す。
The battery containing LiCoO 2 was charged, discharged, and recharged to 4.2V. LiNi 0.7 Co
3. A battery containing 0.2 Ti 0.05 Mg 0.04 O 2 .
Charged to 3V and 4.5V, Li [Li 0.11 M
0.89 ] O 2 (M = {Ni 1/2 Mn 1/2 } 5/6
Co 1/6 ) was charged to 4.3V, 4.4V and 4.5V. The current corresponded to the C / 15 rate. The cell was maintained at the high voltage for about 2 hours. FIG. 8 shows the electrochemical charging before the DSC measurement. Table 7 shows the charging capacity for recharging.

【0090】前記電池をアルゴン充填グローブボックス
中で、電池を短絡しないように注意して開けた。前記カ
ソードを除去し、約1分乾燥した。その後、各電極の半
分を小さいDSC−アルミニウム缶に入れ、空気密にク
リンプした。アルミニウム缶を前記グローブボックスか
ら出し、アルゴン流中で示差走査熱量(DSC)測定
を、5K/分の傾斜を使用して行った。図9はその結果
を示す。
The battery was opened in an argon-filled glove box, taking care not to short-circuit the battery. The cathode was removed and dried for about 1 minute. Thereafter, half of each electrode was placed in a small DSC-aluminum can and crimped air tight. The aluminum can was removed from the glove box and differential scanning calorimetry (DSC) measurements were performed in a stream of argon using a ramp of 5 K / min. FIG. 9 shows the result.

【0091】全材料は発熱反応を示す。高温での放熱量
が少ないことは、安全性の向上を示す。LiCoO
よびLiNi0.7Co0.2Ti0.05Mg
0.04 はT=220〜240℃およびT=200
〜240℃の温度でそれぞれ発熱を示す。充電したLi
CoOについて得られたデータは文献(D.D.Mc
Neil,J.R.Dahn)から得たデータと比較す
る。本発明の材料であるLi[Li
0.110.89]Oは、充電の深さに応じて30
0から320で単一の熱変化を示す。過充電カソード
(4.5V)でさえ、高温の300℃において、第1の
発熱を示す。LiCoOおよびLiNi0.7Co
0.2Ti0. 05Mg0.04と比較すると、よ
り少ない熱を、より高い温度で放出する。その結果は、
表7に示す。Liが多く、マンガン置換材料Li[Li
1− ]Oは安全特性を大幅に改良する。
All materials show an exothermic reaction. Heat dissipation at high temperature
Less indicates a greater safety. LiCoO2You
And LiNi0.7Co0.2Ti0.05Mg
0.04O 2Is T = 220 to 240 ° C. and T = 200
It shows heat generation at temperatures of up to 240 ° C. Li charged
CoO2Are obtained from the literature (DD Mc
Neil, J .; R. Dahn)
You. The material of the present invention, Li [Li
0.11M0.89] O2Is 30 depending on the charging depth
A single thermal change is indicated from 0 to 320. Overcharge cathode
(4.5V) even at a high temperature of 300 ° C, the first
Indicates fever. LiCoO2And LiNi0.7Co
0.2Ti0. 05Mg0.04O2Compared to
Emits less heat at higher temperatures. The result is
It is shown in Table 7. Li is large and the manganese substitution material Li [Li
xM1- x] O2Greatly improves the safety characteristics.

【表7】 [Table 7]

【0092】以上の記載は、単に、本発明を説明するた
めのものであり、本発明を限定するものではない。
The above description is merely for explaining the present invention and does not limit the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 比較例1の(B)「リチウムが多い」LiC
oO試料1Cおよび1Dおよび(A)「リチウムが多
い」LiNiO試料1Aおよび1BのX線回折パター
ン。
FIG. 1 (B) LiC “rich in lithium” of Comparative Example 1
X-ray diffraction patterns of oO 2 samples 1C and 1D and (A) “Lithium rich” LiNiO 2 samples 1A and 1B.

【図2】 実施例2において記載したようにして調製さ
れた試料2A−FのX線回折パターン。
FIG. 2 is an X-ray diffraction pattern of Samples 2A-F prepared as described in Example 2.

【図3】 実施例3において記載したようにして調製さ
れた試料3A−FのX線回折パターン。
FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern of Samples 3A-F prepared as described in Example 3.

【図4】 実施例2および3において記載したように、
yおよびコバルト含量の関数としてLi[LiyM1−
y]O(M=(Mn1/2Ni1/21−x
)における誤配置陽イオンの濃度。
FIG. 4. As described in Examples 2 and 3,
Li [LiyM1- as a function of y and cobalt content
y] O 2 (M = ( Mn 1/2 Ni 1/2) 1-x C
Concentration of misplaced cations in o x).

【図5】 実施例5において記載されたようにして調製
された最終的なLi[Li1−y]O(M=(N
1/2Mn1/25/6Co1/6、y=0.1
1)材料5Aおよび5Bおよび前駆体のX線回折パター
ン(挿入部分は層状化NaFeO構造を有する相に対
する領域35〜46度の拡大図を示す)。
FIG. 5. Final Li [Li y M 1-y ] O 2 (M = (N
i 1/2 Mn 1/2 ) 5/6 Co 1/6 , y = 0.1
1) X-ray diffraction pattern (insert materials 5A and 5B and precursors is an enlarged view of a region 35 to 46 degrees with respect to a phase having a layered NaFeO 2 structure).

【図6】 異なるレートに対する試料5Cの放電電圧特
性。
FIG. 6 shows discharge voltage characteristics of sample 5C for different rates.

【図7】 実施例6において記載したようにして調製し
た、(B)最終材料Li[Li0.05Mn0.37
0.37Co0.14Al0.07]O、および
(A)ボールミルで粉砕したロック塩型前駆体Li
0.525Mn0.18 Ni0.185Co0.07
Al0.035OのX線回折パターン。
FIG. 7: (B) Final material Li [Li 0.05 Mn 0.37 N, prepared as described in Example 6.
i 0.37 Co 0.14 Al 0.07 ] O 2 , and (A) a rock salt precursor Li ground by a ball mill
0.525 Mn 0.18 5 Ni 0.185 Co 0.07
X-ray diffraction pattern of Al 0.035 O.

【図8】 DSC測定前の実施例7のLiCoO、L
iNi0.7Co0.2Ti0.05Mg0.04
およびLi[Li0.110.89]Oカソードの
充電レジーム。
FIG. 8: LiCoO 2 , L of Example 7 before DSC measurement
iNi 0.7 Co 0.2 Ti 0.05 Mg 0.04 O 2
And Li [Li 0.11 M 0.89 ] O 2 cathode charging regime.

【図9】 実施例7記載の、4.3、4.4および4.
5Vに充電されたLi[Li0.110.89]O
(M=Ni1/2Mn1/25/6Co1/6)に対
する、4.3Vおよび4.5Vに充電された市販のLi
Ni0.7Co .2Ti0.05Mg0.04
対する、および4.2Vに充電された市販のLiCoO
に対するDSC結果。
9: 4.3, 4.4 and 4. described in Example 7. FIG.
Li [Li 0.11 M 0.89 ] O 2 charged to 5V
Commercial Li charged to 4.3 V and 4.5 V for (M = Ni 1/2 Mn 1/2 ) 5/6 Co 1/6 )
Ni 0.7 Co 0 . Commercial LiCoO for 2 Ti 0.05 Mg 0.04 O 2 and charged to 4.2 V
DSC results for 2 .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イェンス マーティン ポールセン ニュージーランド国 マヌカウ クローヴ ァー パーク チャーンティ アヴェニュ ー 1/43 (72)発明者 ローン イェン キーウ ニュージーランド国 オークランド マウ ント ウェリントン ウォーターズ ロー ド 11 (72)発明者 ブレット グレーム アンムンゼン ニュージーランド国 オークランド アー チヒル ブリスベイン ストリート 22 Fターム(参考) 4G048 AA04 AB02 AC06 AC08 AD06 AE05 5H029 AJ03 AJ05 AJ12 AK03 AL06 AL12 AM03 AM05 AM07 CJ02 CJ08 CJ28 DJ17 EJ01 EJ04 EJ12 HJ02 HJ14 5H050 AA07 AA08 AA15 BA16 BA17 CA08 CA09 CB12 EA08 EA23 FA19 GA02 GA05 GA10 GA27 HA02 HA14 HA20  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Jens Martin Poulsen New Zealand Manukau Clover Park Changti Avenue 1/43 (72) Inventor Lone Yen Kiew Auckland Mount Wellington Waters Road 11 (72) New Zealand Inventor Brett Graeme Ammunsen New Zealand Auckland Archhill Brisbane Street 22 F-term (reference) 4G048 AA04 AB02 AC06 AC08 AD06 AE05 5H029 AJ03 AJ05 AJ12 AK03 AL06 AL12 AM03 AM05 AM07 CJ02 CJ08 CJ28 DJ17 EJ01 HJAJAJ EJ01 AJAJAJ EJ04 CA08 CA09 CB12 EA08 EA23 FA19 GA02 GA05 GA10 GA27 HA02 HA14 HA20

Claims (39)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下記の一般式で表される、電気化学的電
池にて使用される単相カソード材料。 Li[LiCo1−x−y]O (式中、Aは[MnNi1−z]を表し、xは約0.
00〜約0.16の範囲の数値を表し、yは約0.1〜
約0.30の範囲の数値を表し、zは約0.40〜約0.
65の範囲の数値を表し、Liは前記構造体の遷移金
属層に含まれる。)
1. A single-phase cathode material used in an electrochemical cell represented by the following general formula: Li in [Li x Co y A 1- x-y] O 2 ( wherein, A represents a [Mn z Ni 1-z] , x is about 0.
Represents a numerical value in the range of about 00 to about 0.16, and y is about 0.1 to about 0.16.
Represents a numerical value in the range of about 0.30, and z is about 0.40 to about 0.3
It represents a numerical value in the range of 65, and Li x is included in the transition metal layer of the structure. )
【請求項2】 前記材料が、約1.012より大きいc
/a比を有する層状R−3m結晶構造を含んで構成され
ることを特徴とする請求項1記載の材料。
2. The method of claim 1, wherein the material has a c greater than about 1.012.
The material of claim 1, comprising a layered R-3m crystal structure having a / a ratio.
【請求項3】 xは約0.05〜約0.10の範囲の数
値を表すことを特徴とする請求項1記載の材料。
3. The material of claim 1, wherein x represents a number in the range from about 0.05 to about 0.10.
【請求項4】 yは約0.16の数値を表すことを特徴
とする請求項1記載の材料。
4. The material of claim 1, wherein y represents a value of about 0.16.
【請求項5】 zは約0.50の数値を表すことを特徴
とする請求項1記載の材料。
5. The material of claim 1, wherein z represents a value of about 0.50.
【請求項6】 xは約0.05〜約0.10の範囲の数
値を表し、yは約0.16の数値を表し、かつzは約
0.50の数値を表すことを特徴とする請求項1記載の
材料。
6. x represents a number in the range of about 0.05 to about 0.10, y represents a number of about 0.16, and z represents a number of about 0.50. The material of claim 1.
【請求項7】 下記の一般式で表される、電気化学的電
池にて使用される単相カソード材料。 Li[LiCo1−x−y]O (式中、A=[MnNi1−z]を表し;xは約0.
0〜約0.16の範囲の数値を表し;yは約0.1〜約
0.30の範囲の数値を表し;zは約0.40〜約0.6
5の範囲の数値を表し;Liは前記構造体の遷移金属
層に含まれ;および/または前記材料が、約1.012
より大きいc/a比を有する層状R−3m結晶構造を含
んで構成される。)
7. A single-phase cathode material used in an electrochemical cell represented by the following general formula: Li in [Li x Co y A 1- x-y] O 2 ( wherein, A = [Mn z Ni 1 -z] represents; x is about 0.
Represents a number in the range of 0 to about 0.16; y is about 0.1 to about 0.16
Represents a number in the range of 0.30; z is about 0.40 to about 0.6
Represents 5 range of numerical values; Li x is included in transition metal layers of the structure; and / or wherein the material of about 1.012
It comprises a layered R-3m crystal structure with a larger c / a ratio. )
【請求項8】 xは約0.05〜約0.10の範囲の数
値を表すことを特徴とする請求項7記載の材料。
8. The material of claim 7, wherein x represents a number in the range from about 0.05 to about 0.10.
【請求項9】 yは約0.16の数値を表すことを特徴
とする請求項7記載の材料。
9. The material of claim 7, wherein y represents a value of about 0.16.
【請求項10】 zは約0.50の数値を表すことを特
徴とする請求項7記載の材料。
10. The material of claim 7, wherein z represents a value of about 0.50.
【請求項11】 xは約0.05〜約0.10の範囲の
数値を表し、yは約0.16の数値を表し、かつzは約
0.50の数値を表すことを特徴とする請求項7記載の
材料。
11. x is a number in the range of about 0.05 to about 0.10, y is a number in the range of about 0.16, and z is a number in the range of about 0.50. The material according to claim 7.
【請求項12】 電流コレクターおよび該電流コレクタ
ーに適用されるカソード活性材料を含んで構成される、
電気化学的電池にて使用される電極であって、前記活性
材料が下記の一般式で表される電極。 Li[LiCo1−x−y]O (式中、A=[MnNi1−z]を表し;xは約0.
0〜約0.16の範囲の数値を表し;yは約0.1〜約
0.30の範囲の数値を表し;zは約0.4〜約0.65
の範囲の数値を表し;かつLiは前記構造体の遷移金
属層に含まれる。)
12. A system comprising a current collector and a cathode active material applied to the current collector.
An electrode used in an electrochemical cell, wherein the active material is represented by the following general formula. Li in [Li x Co y A 1- x-y] O 2 ( wherein, A = [Mn z Ni 1 -z] represents; x is about 0.
Represents a number in the range of 0 to about 0.16; y is about 0.1 to about 0.16
Represents a number in the range of 0.30; z is about 0.4 to about 0.65
And Li x is included in the transition metal layer of the structure. )
【請求項13】 前記材料が、約1.012より大きい
c/a比を有する層状R−3m結晶構造を含んで構成さ
れる請求項12記載の電極。
13. The electrode of claim 12, wherein said material comprises a layered R-3m crystal structure having a c / a ratio greater than about 1.012.
【請求項14】 xは約0.05〜約0.10の範囲の
数値を表すことを特徴とする請求項12記載の電極。
14. The electrode according to claim 12, wherein x represents a numerical value in a range from about 0.05 to about 0.10.
【請求項15】 yは約0.16の数値を表すことを特
徴とする請求項12記載の電極。
15. The electrode according to claim 12, wherein y represents a numerical value of about 0.16.
【請求項16】 zは約0.50の数値を表すことを特
徴とする請求項12記載の電極。
16. The electrode according to claim 12, wherein z represents a value of about 0.50.
【請求項17】 xは約0.05〜約0.10の範囲の
数値を表し、yは約0.16の数値を表し、かつzは約
0.50の数値を表すことを特徴とする請求項12記載
の電極。
17. x represents a number in the range of about 0.05 to about 0.10, y represents a number of about 0.16, and z represents a number of about 0.50. An electrode according to claim 12.
【請求項18】 電解液、アノード電極、かつカソード
電極を含んで構成され、前記カソード電極が電流コレク
ターおよび該電流コレクターに適用されるカソード活性
材料を含んでなる電気化学的電池であって、前記活性材
料が下記の一般式で表される電気化学的電池。 Li[LiCo1−x−y]O (式中、A=[MnNi1−z]を表し;xは約0.
0〜約0.16の範囲の数値を表し;yは約0.1〜約
0.30の範囲の数値を表し;zは約0.4〜約0.65
の範囲の数値を表し;Liは前記構造体の遷移金属層
に含まれる。)
18. An electrochemical cell comprising an electrolyte, an anode electrode, and a cathode electrode, said cathode electrode comprising a current collector and a cathode active material applied to said current collector, wherein said electrochemical cell comprises: An electrochemical cell in which the active material is represented by the following general formula: Li in [Li x Co y A 1- x-y] O 2 ( wherein, A = [Mn z Ni 1 -z] represents; x is about 0.
Represents a number in the range of 0 to about 0.16; y is about 0.1 to about 0.16
Represents a number in the range of 0.30; z is about 0.4 to about 0.65
Li x is included in the transition metal layer of the structure. )
【請求項19】 前記材料が、約1.012のc/a比
を有する層状R−3m結晶構造を含んで構成される請求
項18記載の電気化学的電池。
19. The electrochemical cell of claim 18, wherein said material comprises a layered R-3m crystal structure having a c / a ratio of about 1.012.
【請求項20】 xは約0.05〜約0.10の範囲の
数値を表すことを特徴とする請求項18記載の電気化学
的電池。
20. The electrochemical cell according to claim 18, wherein x represents a number in the range of about 0.05 to about 0.10.
【請求項21】 yは約0.16の数値を表すことを特
徴とする請求項18記載の電気化学的電池。
21. The electrochemical cell according to claim 18, wherein y represents a value of about 0.16.
【請求項22】 zは約0.50の数値を表すことを特
徴とする請求項18記載の電気化学的電池。
22. The electrochemical cell according to claim 18, wherein z represents a value of about 0.50.
【請求項23】 xは約0.05〜約0.10の範囲の
数値を表し、yは約0.16の数値を表し、かつzは約
0.50の数値を表すことを特徴とする請求項18記載
の電気化学的電池。
23. x represents a numerical value in the range of about 0.05 to about 0.10, y represents a numerical value of about 0.16, and z represents a numerical value of about 0.50. An electrochemical cell according to claim 18.
【請求項24】 前記アノード電極がリチウムインター
カレーションアノードを含んで構成される請求項18記
載の電気化学的電池。
24. The electrochemical cell according to claim 18, wherein said anode electrode comprises a lithium intercalation anode.
【請求項25】 前記電解液がリチウム塩を含む非水電
解液を含んで構成される請求項18記載の電気化学的電
池。
25. The electrochemical cell according to claim 18, wherein the electrolyte comprises a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.
【請求項26】 下記の一般式で表される電気化学的電
池にて使用される単相カソード材料を製造する方法であ
って、Ni、Mn、およびCo陽イオンの混合物を有す
る前駆体を調製し、該前駆体を化学量論的量のLi源と
混合し、得られた混合物を高温にて反応させることを含
んで構成される方法。 Li[LiCo1−x−y]O (式中、A=[MnNi1−z]を表し;xは約0.
0〜約0.16の範囲の数値を表し;yは約0.1〜約
0.30の範囲の数値を表し;zは約0.4〜約0.65
の範囲の数値を表し;かつLiは前記構造体の遷移金
属層に含まれ、および/または前記材料が、約1.01
2より大きいc/a比を有する層状R−3m結晶構造を
含んで構成される。)
26. A method of making a single-phase cathode material for use in an electrochemical cell represented by the general formula: preparing a precursor having a mixture of Ni, Mn, and Co cations. And mixing the precursor with a stoichiometric amount of a Li source and reacting the resulting mixture at an elevated temperature. Li in [Li x Co y A 1- x-y] O 2 ( wherein, A = [Mn z Ni 1 -z] represents; x is about 0.
Represents a number in the range of 0 to about 0.16; y is about 0.1 to about 0.16
Represents a number in the range of 0.30; z is about 0.4 to about 0.65
And Li x is included in the transition metal layer of the structure, and / or the material is about 1.01.
It comprises a layered R-3m crystal structure having a c / a ratio greater than 2. )
【請求項27】 前駆体を供給する前記工程が混合され
た金属水酸化物を供給する工程を含む請求項26記載の
方法。
27. The method of claim 26, wherein the step of providing a precursor comprises the step of providing a mixed metal hydroxide.
【請求項28】 前駆体を供給する工程が、Ni、M
n、およびCoの混合物を含有する溶液の共沈から得ら
れる混合金属水酸化物を供給する工程を含む請求項26
記載の方法。
28. The method of providing a precursor, comprising the steps of:
27. Providing a mixed metal hydroxide obtained from coprecipitation of a solution containing a mixture of n and Co.
The described method.
【請求項29】 前駆体を供給する工程が、一般式M
(式中、MはNi、Mn、およびCoの組み合わせ
を表す。)により表される混合金属酸化物を供給する工
程を含む請求項26記載の方法。
29. The step of supplying a precursor comprises the step of reacting a compound of the general formula M 3
O 4 (wherein, M is Ni, Mn, and. That represents the combination of Co) The method of claim 26 further comprising the step of supplying a mixed metal oxide represented by.
【請求項30】 前駆体を供給する工程が、一般式MO
(式中、MはNi、Mn、およびCoの組み合わせを表
す。)により表される混合金属酸化物を供給する工程を
含む請求項26記載の方法。
30. The step of supplying a precursor comprises the step of formula (MO)
28. The method of claim 26, comprising providing a mixed metal oxide represented by the formula: wherein M represents a combination of Ni, Mn, and Co.
【請求項31】 前駆体を供給する工程が、一般式Li
MO(式中、MはNi、Mn、およびCoの組み合
わせを表し、xは約1を表す。)により表される混合金
属酸化物を供給する工程を含む請求項26記載の方法。
31. The step of supplying a precursor comprises the step of reacting with a general formula Li
x MO 2 (where, M is Ni, Mn, and Co represents a combination of, x is. representing about 1) The method of claim 26 further comprising the step of supplying a mixed metal oxide represented by.
【請求項32】 前駆体を供給する工程が、該前駆体を
酸素含有雰囲気中で約500℃〜約1000℃の範囲の
温度にて加熱する工程を含む請求項26記載の方法。
32. The method of claim 26, wherein supplying the precursor comprises heating the precursor in an oxygen containing atmosphere at a temperature ranging from about 500 ° C to about 1000 ° C.
【請求項33】 前駆体を供給する工程が、該前駆体を
酸素含有雰囲気中で約900℃〜約1000℃の範囲の
温度にて加熱する工程を含む請求項26記載の方法。
33. The method of claim 26, wherein supplying the precursor comprises heating the precursor in an oxygen-containing atmosphere at a temperature ranging from about 900 ° C to about 1000 ° C.
【請求項34】 高温における前記反応が少なくとも1
2時間実施される請求項26記載の方法。
34. The method of claim 1, wherein the reaction at elevated temperatures is at least one.
27. The method of claim 26, which is performed for 2 hours.
【請求項35】 下記の一般式で表される電気化学的電
池にて使用される単相カソード材料を製造する方法であ
って、Ni、Mn、Co、およびLiを含む金属酸化物
の粉末を混合し、該混合物をボールミルで粉砕して前駆
体酸化物を得、該前駆体酸化物を加熱することを含んで
構成される方法。 Li[LiCo1−x−y]O (式中、A=[MnNi1−z]を表し;xは約0.
0〜約0.16の範囲の数値を表し;yは約0.1〜約
0.30の範囲の数値を表し;zは約0.4〜約0.65
の範囲の数値を表し;かつLiは前記構造体の遷移金
属層に含まれ、および/または前記材料が、約1.01
2より大きいc/a比を有する層状R−3m結晶構造を
含んで構成される。)
35. A method for producing a single-phase cathode material used in an electrochemical cell represented by the following general formula, comprising the steps of: preparing a metal oxide powder containing Ni, Mn, Co, and Li; Mixing and milling the mixture with a ball mill to obtain a precursor oxide, and heating the precursor oxide. Li in [Li x Co y A 1- x-y] O 2 ( wherein, A = [Mn z Ni 1 -z] represents; x is about 0.
Represents a number in the range of 0 to about 0.16; y is about 0.1 to about 0.16
Represents a number in the range of 0.30; z is about 0.4 to about 0.65
And Li x is included in the transition metal layer of the structure, and / or the material is about 1.01.
It comprises a layered R-3m crystal structure having a c / a ratio greater than 2. )
【請求項36】 金属酸化物の粉末を混合する工程が、
全リチウムおよび酸素量が最終のリチオ化酸化物材料に
必要なほぼ化学量論値を有する程度の金属酸化物の粉末
を混合する工程を含む請求項35記載の方法。
36. The step of mixing a metal oxide powder,
36. The method of claim 35, comprising the step of mixing the metal oxide powder to such an extent that the total lithium and oxygen content has the approximate stoichiometry required for the final lithiated oxide material.
【請求項37】 前記前駆体酸化物を加熱する工程が酸
素含有雰囲気で約500℃〜約1000℃の範囲の温度
にて生じることを特徴とする請求項35記載の方法。
37. The method of claim 35, wherein the step of heating the precursor oxide occurs at a temperature ranging from about 500 ° C. to about 1000 ° C. in an oxygen containing atmosphere.
【請求項38】 前記前駆体酸化物を加熱する工程が酸
素含有雰囲気で約900℃〜約1000℃の範囲の温度
にて生じることを特徴とする請求項35記載の方法。
38. The method of claim 35, wherein the step of heating the precursor oxide occurs in an oxygen containing atmosphere at a temperature ranging from about 900 ° C. to about 1000 ° C.
【請求項39】 高温における前記反応が少なくとも1
2時間実施される請求項35記載の方法。
39. The reaction at elevated temperatures wherein at least one
The method of claim 35, wherein the method is performed for 2 hours.
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